一種用於報警器的高性能壓電聲頻元器件的製作方法

2023-10-09 21:10:34

專利名稱：一種用於報警器的高性能壓電聲頻元器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓電聲頻元器件及其製備方法，具體涉及一種適用於報警器的高性能壓電聲頻元器件及其製備方法，屬於材料科學領域。
背景技術：
自1954年人們發現了 PZT鋯鈦酸鉛壓電陶瓷後，美國、日本、荷蘭等許多國家對該系統進行了詳盡的研究，並且隨著研製的深入派生出了一系列性能優越的PZT壓電陶瓷材料，壓電陶瓷材料的應用範圍也大大拓展。其中以鋯鈦酸鉛為基礎，用多種元素改進的三元系、四元系壓電陶瓷也都應運而生，在1965年日本松下電氣公司把Pb(Mgl/3Nb2/3)03作為第三組分加入到PZT中製成了第一種三元系陶瓷，經研究發現在這種三元系壓電陶瓷中添加一些氧化物後不但可以提高機電耦合係數KP和高機械品質因數Qm，還可以使頻率常數和老化特性得到改善。三元系陶瓷比二元系陶瓷具有更為優越的性能，可以大幅度地調節可供選擇的組成成份和壓電性，容易獲得高機電耦合數的接收型材料。大量研究表明各種馳豫鐵電體固溶物與PZT陶瓷組合以及對這種系統的壓電陶瓷進行離子置換和摻雜改性，可獲得高介電、高壓電性能，並在三元系的基礎上發展了更為複雜的四元系、五元系陶瓷材料，使壓電陶瓷的研究前景更為廣闊。
由於壓電陶瓷應用範圍的擴展，不同用途的器件對壓電陶瓷材料性能要求越來越高，壓電陶瓷材料的質量甚至成為某些領域的發展瓶頸。現在我國在壓電陶瓷材料及其應用領域的開發仍處於發展階段，此行業的發展將具有廣闊的前景。目前市場上主要存在的壓電陶瓷材料有:一、大功率發射材料YT-8型。該材料具有良好壓電性，機械強度高、矯頑場高，強場介電損耗低。它主要用於超聲清洗、強力超聲鑽孔、超聲焊接、潔牙機探頭、美容儀探頭、超聲手術探頭、心血管治療儀探頭等。二、高靈敏度接收材料YT-5型。該材料具有高機電耦合係數，適宜的介電常數、較高的靈敏度。它主要用於高靈敏度換能器、流量計換能器、液位計換能器、加速度計換能器、超聲檢測換能器等。三、收發兩用材料YT-4型。該材料介於YT-8與YT-8之間，兼顧二者特點，具有較高的靈敏度，又具有較低介電損耗，對於發射功率不大而且可同時做接收用的所謂收發兩用換能器，選用本材料最合適。目前用該材料生產的超聲霧化換能器已批量投產。
壓電聲頻元器件是近代電子技術領域中不可缺少的重要組成部分，它在現代通訊、雷達、聲納、自動測量與控制、超聲換能、引燃引爆、超聲滅菌、超聲功率等方面均得到廣泛應用。其應用日趨廣泛，國際上對其研究十分活躍，隨著超聲壓電陶瓷材料的不斷推廣應用，現已涉及到人們生活的方方面面，而在不同的領域在壓電陶瓷提出了更高的使用要求。對於壓電聲頻元器件而言，壓電聲頻元器件的電極通常是採用銀電極，製備的方式通常是採用印刷電極(通常燒後為1-2微米)，後燒銀(通常在980°C)。採用銀燒制的壓電聲頻元器件的材料成本較高，並且工藝複雜，產品的性能及合格率不高，並且在使用的過程中由於電極中含有玻璃或導致電極中銀遷移， 致使電極的靈敏性和可靠性降低。對於壓電聲頻元器件而言，材料的生產配方決定著壓電陶瓷器件的使用性能和使用壽命，改善壓電陶瓷材料機械的品質因數及抗張強度，提高超聲波平板式電振子靈敏度、降低損耗、增強抗張強度、改善老化性能，提高使用壽命是我們亟待解決的問題。中國專利申請CN 102729577 A涉及一種蜂鳴器中壓電陶瓷蜂鳴片的固化工藝，將金屬片放在吸片模上，吸片模對金屬片進行吸附，採用絲網印刷將厭氧膠印刷到金屬片的上表面；將壓電諧振片放置到金屬片上，厭氧膠將壓電諧振片粘合到金屬片上；將上述金屬片及粘合在金屬片上的壓電諧振片從吸片模上取下，並採用真空包裝袋進行包裝，使其處於真空狀態；將真空包裝袋及包裝於內的金屬片與壓電諧振片一併放到超高等靜液壓設備中進行壓制固化，其超高等靜液壓的壓力大於等於120MPa，保壓時間為3分鐘-5分鐘；將真空包裝袋從超高等靜液壓設備中取出，拆開真空包裝袋，金屬片與壓電諧振片便牢固粘合在一起，完成固化工藝。採用該固化工藝生產的不同金屬片製成的壓電陶瓷蜂鳴片的性能差別很大，且該固化工藝製備得到的產品的使用壽命不佳。

發明內容
針對目前壓電聲頻元器件普遍存在的使用壽命低、合格率低等缺陷，而鍍銀電極容易出現銀遷移造成壓電聲頻元器件的靈敏性下降的缺陷，本發明提供一種新的壓電聲頻元器件及其製備方法。該壓電聲頻元器件鍍層成分明確，但其生產工藝更為簡單、成本更為低廉，因此其應用前景十分廣闊；且該壓電聲頻元器件的使用壽命和靈敏度均較現有產品明顯改善。本發明的目的之一是提供一種新的壓電聲頻元器件，所述的壓電聲頻元器件為壓電蜂鳴片，壓電蜂鳴片由壓電陶瓷片、與壓電陶瓷片粘結在一起的黃銅片或不鏽鋼片組成，所述的壓電陶瓷片由鋯鈦 酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料製成，並且陶瓷片至少一個表面鍍有金屬層，所述金屬層為鋁層、銅層或錫層。申請人發現當金屬層優選為鋁層時，壓電聲頻元器件的金屬層遷移率最小，壓電聲頻元器件的使用壽命最長，且成本相對於現有技術大大降低。傳統鍍銀元器件的鍍層厚度一般在lmm-2mm，鍍層太厚不僅使鍍層成本上升，而且更容易造成金屬層的遷移。技術和材料的限制使得傳統的鍍銀層的厚度較大，成本上升，而採用本發明金屬鍍層則可以有更廣泛的鍍層範圍。本發明上述所述的壓電聲頻元器件中，所述金屬層的厚度為20-200nm，優選為40_80nm。本發明的目的之二在於提供一種上述所述壓電聲頻元器件的製備方法。該製備方法包括如下步驟:
O蒸鍍材料配製:按照金屬粉:低熔點無鉛玻璃粉:乙基纖維素:無定形硼粉=(40-65):(10-18):(15-25):(0.5-2)的重量配比混合攪拌，得到蒸鍍材料；
2)蒸鍍裝置抽真空:將待蒸鍍的壓電聲頻材料置於蒸鍍室中，使用真空泵抽真空至10_2帕以下；
3)高壓等離子清洗:常溫下在2000v-3000v/mm高壓下等離子清洗壓電陶瓷材料5min,並排出雜質氣體；
4)蒸鍍金屬層:按壓電聲頻材料和蒸鍍材料重量比為10:1將蒸鍍材料裝入蒸鍍室內，調節蒸鍍裝置內電流為0.5A-5A，蒸鍍裝置內溫度為200°C -400°C，保溫20min_30min後冷卻至100°C ;5)極化:在100°C下將上述鍍上金屬膜的半成品在3000v/mm高壓極化IOmin即可得到壓電聲頻元器件。鍍膜後半成品極化後即具有壓電性能。
本發明上述壓電聲頻元器件可用於多種用途，本發明請求保護該壓電聲頻元器件在報警器中的應用。本發明壓電聲頻元器件應用於報警器中時具有檢測靈敏度高，使用壽命長的優點，因此具有廣闊的推廣前景。
本發明上述壓電聲頻元器件製備工藝中採用蒸鍍鋁的工藝來製備電極，其與現有技術相比具有如下突出的技術優勢: I)壓電聲頻元器件的電極製備方法採用蒸鍍法，蒸鍍金屬使用鋁取代了原價格高的銀材料，並且熱處理的溫度低(450°c )，厚度可以更薄(低到幾十納米)，與現有技術相比，材料成本更低，且產品的工序短，合格率高，拉力好。
2)壓電聲頻元器件的電極製備方法選擇鋁金屬，不僅可以延長壓電聲頻元器件的使用壽命，而且可以顯著避免銀遷移，可靠性和靈敏度高，尤其是當壓電陶瓷片很薄時，該優勢更加明顯。
3)本發明所 提供的新的壓電聲頻元器件的主要性能參數已達到或超過正常生產銀電極蜂鳴片，特別是採用本發明所製備得到的蒸鍍鋁蜂鳴片的電容更大，損耗更小，阻抗更高。這表明本發明所製備得到的蒸鍍鋁蜂鳴片在降低損耗和使用壽命方面更優於現有的正常生產銀電極蜂鳴片。
4)本發明所提供的新的壓電聲頻元器件不但可以為相關儀器的生產提供一種新的選擇，大大地降低了相關儀器的生產成本，而且生產得到的壓電聲頻元器件合格率高，使用壽命更長，損耗更低。
具體實施方式
為了更清楚地說明本發明技術方案，下面通過具體實施例對本發明內容作進一步介紹，顯而易見地，下述僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些實施獲得其他的實施例。
_ 實施例1本發明所述壓電聲頻元器件及製備方法 本發明提供一種新的壓電聲頻元器件，該壓電聲頻元器件表面鍍有銅層，銅層厚度為40nm。該壓電聲頻元器件的製備方法包括: 1)蒸鍍材料配製:按照銅粉:低熔點無鉛玻璃粉:乙基纖維素:無定形硼粉=40:18:25:2的重量配比混合攪拌，得到蒸鍍材料； 2)蒸鍍裝置抽真空:將待蒸鍍的壓電聲頻材料置於蒸鍍室中，使用真空泵抽真空至10_2帕以下； 3)高壓等離子清洗:常溫下在2000v-3000v/mm高壓下等離子清洗壓電陶瓷材料5min,並排出雜質氣體； 4)蒸鍍金屬層:按壓電聲頻材料和蒸鍍材料重量比為10:1將蒸鍍材料裝入蒸鍍室內，調節蒸鍍裝置內電流為0.5A-5A，蒸鍍裝置內溫度為200°C -400°C，保溫20min_30min後冷卻至100°C ； 5)極化:在100°C下將上述鍍上金屬膜的半成品在3000v/mm高壓極化IOmin即可得到壓電聲頻元器件。鍍膜後半成品極化後即具有壓電性能。實施例2本發明所述壓電聲頻元器件及製備方法
本發明提供一種新的壓電聲頻元器件，該壓電聲頻元器件表面鍍有鋁層，鋁層厚度為80nm。該壓電聲頻元器件的製備方法包括:
1)蒸鍍材料配製:按照鋁粉:低熔點無鉛玻璃粉:乙基纖維素:無定形硼粉=50:15:20:1的重量配比混合攪拌，得到蒸鍍材料；
2)蒸鍍裝置抽真空:將待蒸鍍的壓電聲頻材料置於蒸鍍室中，使用真空泵抽真空至10_2帕以下；
3)高壓等離子清洗:常溫下在2000v-3000v/mm高壓下等離子清洗壓電陶瓷材料5min,並排出雜質氣體；
4)蒸鍍金屬層:按壓電聲頻材料和蒸鍍材料重量比為10:1將蒸鍍材料裝入蒸鍍室內，調節蒸鍍裝置內電流為5A，蒸鍍裝置內溫度為300°C，保溫20min-30min後冷卻至100°C ；
5)極化:在100°C下將上述鍍上金屬膜的半成品在3000v/mm高壓極化IOmin即可得到壓電聲頻元器件。鍍膜後半成品極化後即具有壓電性能。實施例3本發明所述壓電聲頻元器件及其製備方法
本發明提供一種新的壓電聲頻元器件，該壓 電聲頻元器件表面鍍有錫層，鋁層厚度為80nm。該壓電聲頻元器件的製備方法包括:
1)蒸鍍材料配製:按照錫粉:低熔點無鉛玻璃粉:乙基纖維素:無定形硼粉=40:18:25:2的重量配比混合攪拌，得到蒸鍍材料；
2)蒸鍍裝置抽真空:將待蒸鍍的壓電聲頻材料置於蒸鍍室中，使用真空泵抽真空至10_2帕以下；
3)高壓等離子清洗:常溫下在2000v-3000v/mm高壓下等離子清洗壓電陶瓷材料5min,並排出雜質氣體；
4)蒸鍍金屬層:按壓電聲頻材料和蒸鍍材料重量比為10:1將蒸鍍材料裝入蒸鍍室內，調節蒸鍍裝置內電流為5A，蒸鍍裝置內溫度為200°C _400°C，保溫20min-30min後冷卻至IOO0C ；
5)極化:在100°C下將上述鍍上金屬膜的半成品在3000v/mm高壓極化IOmin即可得到壓電聲頻元器件。鍍膜後半成品極化後即具有壓電性能。實施例4-9本發明所述壓電聲頻元器件及其製備方法
實施例4-9所述壓電聲頻元器件的蒸鍍材料和鍍層厚度如表I所示，參比實施例製備方法同本發明壓電聲頻元器件的製備方法，區別在於使用銀粉。實施例4-9所述壓電聲頻元器件的製備方法如實施例2所示。表I實施例2-9所述壓電聲頻元器件蒸鍍材料及鍍層厚
權利要求
1.一種壓電聲頻元器件，所述的壓電聲頻元器件為壓電蜂鳴片，壓電蜂鳴片由壓電陶瓷片、與壓電陶瓷片粘結在一起的黃銅片或不鏽鋼片組成，所述的壓電陶瓷片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料製成，並且陶瓷片至少一個表面鍍有金屬層，其特徵在於，所述金屬層為鋁層、銅層或錫層。
2.如權利要求1所述的壓電聲頻元器件，其特徵在於所述金屬層為鋁層。
3.如權利要求1所述的壓電聲頻元器件，其特徵在於所述金屬層的厚度為20-200nm。
4.如權利要求3所述的壓電聲頻元器件，其特徵在於所述金屬層的厚度為40-80nm。
5.如權利要求1-4任一所述的壓電聲頻元器件的製備方法，其包括以下步驟: 蒸鍍材料配製:按照金屬粉:低熔點無鉛玻璃粉:乙基纖維素:無定形硼粉=(40-65):(10-18):(15-25):(0.5-2)的重量配比混合攪拌，得到蒸鍍材料； 蒸鍍裝置抽真空:將待蒸鍍的壓電聲頻材料置於蒸鍍室中，使用真空泵抽真空至10_2帕以下； 高壓等離子清洗:常溫下在2000v-3000v/mm高壓下等離子清洗壓電陶瓷材料5min,並排出雜質氣體； 蒸鍍金屬層:按壓電聲頻材料和蒸鍍 材料重量比為10:1將蒸鍍材料裝入蒸鍍室內，調節蒸鍍裝置內電流為0.5A-5A，蒸鍍裝置內溫度為200°C -400°C，保溫20min_30min後冷卻至 100℃； 5)極化:在100°C下將上述鍍上金屬膜的半成品在3000v/mm高壓極化IOmin即可得到壓電聲頻元器件。
6.權利要求1-4任一所述的壓電聲頻元器件在報警器中的應用。
全文摘要
本發明提供一種適用於報警器的壓電聲頻元器件及其製備方法，屬於材料科學領域。本發明所述壓電聲頻元器件包括壓電聲頻材料，所述壓電聲頻材料表面鍍有金屬層，所述金屬層為鋁層、銅層或錫層，其製備工藝包括蒸鍍材料配製、蒸鍍裝置抽真空、高壓等離子清洗、蒸鍍金屬層、極化五個步驟。性能測試證明本發明壓電聲頻元器件在遷移率和使用壽命方面優於國內現有鍍銀的壓電聲頻元器件，因此該壓電聲頻元器件在許多方面特別是在報警器中具有十分廣闊的應用前景。
文檔編號C04B41/88GK103214271SQ20131006529
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月1日 優先權日2013年3月1日
發明者姜知水, 歐明, 田維, 文理, 林霖, 周濤 申請人:肇慶捷成電子科技有限公司