多层片状压电陶瓷自耦合式降压变压器及其制作方法技术

一种多层片状压电陶瓷自耦合式降压变压器及其制作方法，其特征在于：多层片状自耦合式压电陶瓷降压变压器是由作为电压输入的二组多层压电陶瓷１和夹在这二组多层陶瓷之间作为输出端的一组多层压电陶瓷２组成变压器的。其中变压器的多层压电陶瓷采用轧膜和流延方法经多层共烧结制。该变压器具有体积小、输入和输出端不共地连接、结构设计灵活的特点。其降压比可调，最大可达０．１６，功率转换效率高达９８％，有望可广泛应用于新一代的移动通讯、手机等电子产品中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种由多层片状自耦式压电陶瓷降压变压器及其制备方法。
技术介绍
压电陶瓷变压器是1956年由鲁森(Rosen)提出的，它是利用压电陶瓷所具有的正和逆压电效应，通过电压激励陶瓷体机械振动，再通过该机械振动使陶瓷的另一端产生电压，从而在压电陶瓷体内实现电能-机械能-电能转换的电子陶瓷器件。具体地说，就是对压电陶瓷体的电极和极化取向进行合理的设计，利用逆压电效应使输入端相连接的压电陶瓷在电压作用下产生机械振动，再通过正压电效应使输出端连接的压电陶瓷产生电压。当输入和输出的阻抗不相等时，将引起输入和输出端的电压以及电流也不相等，从而实现电路中输入和输出端之间的电压和电流转换的。压电陶瓷变压器在功能和外观上明显不同于以往的电磁式变压器，它具有器件结构简单、体积小、无电磁污染、无电磁式绕线和不可燃等特点，因而已在一些高电压的军事和民用设备中得到了应用，如潜艇中电子设备和空气清洁器的高压信号源等。但是，压电陶瓷变压器器件必须在机械谐振频率附近工作，频率带宽比较窄，对电子控制电路均要求较高，并且压电材料的介电和机械损耗比磁性材料大、在大机械振动下容易产生断裂，制作成本高，因而90年代以前发展相对缓慢。近几年，随着计算机、移动通讯、微电子-机械技术等高新技术的迅速发展，对电子器件的小型化、薄片化、集成化的需求急增，压电陶瓷变压器由于符合这些新的要求而又重新倍受关注。由于压电陶瓷材料制备工艺的不断优化，材料性能和机械强度不断提高，特别80年代后期功能陶瓷器件将陶瓷粉体流延成膜和陶瓷/内电极的共烧技术(即多层片状电容器(MMLC)技术)引入到制备多层片状压电陶瓷变压器后，压电陶瓷变压器的性能大幅提高、体积明显下降，制作成本大幅下降，并且通过多层陶瓷结构容易调节电压的输入和输出之比以及使负荷的阻抗匹配，电子线路的集成化、模块化使得频率控制趋于简单，因此，压电陶瓷变压器研究和专利急剧上升，成为当今功能陶瓷材料在信息应用领域十分活跃的新型器件。压电陶瓷变压器目前应用的状况主要是以升压为主的多层片状压电陶瓷变压器，已用于液晶显示器、静电除尘器、小功率激光管和高压电源等。日本NEC、Tokin等公司、国内深圳富康精密电子陶瓷有限公司、清华大学和西安康鸿信息技术有限公司等都都有相关的专利。日本Tokin公司采用压电d31振动模式获得了140kHz的多层片状压电陶瓷降压变压器；另外，日本NEC公司开展了用于DC-DC转换器的多层片状压电陶瓷降压变压器研究，该变压器利用纵向厚度振动模式获得了工作频率为2MHz的降压变压器，从以上所报导的专利和论文可以看出，至今压电陶瓷降压变压器的变压方式都采用了由Rosen提出的基本工作方式，即压电陶瓷的输入和输出端的陶瓷是分离的，通过电压激励整个陶瓷产生机械振动，在另一端的陶瓷由于正压电效应而输出电压，通过降低输出端的阻抗来达到降低输出电压的目的。这种变压方式对压电陶瓷升压变压器是十分有效的，但对压电陶瓷降压变压器而言存在一些不足输入和输出端的陶瓷相分离，体积难以进一步小型化；由于压电陶瓷变压器的电能是通过机械能进行传递的，因此，输入和输出端的压电陶瓷储蓄电能和机械能应接近相等，这给压电陶瓷降压变压器的结构设计带来难度。在实际应用方面要求变压器的输入和输出端不共地，而已见报导的降压变压器或共地，或者连接的导线复杂，对应用不利。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种多层片状自耦合式压电陶瓷降压变压器。本专利技术的另一个目的是提供一种制备多层片状压电陶瓷变压器的方法。本专利技术所提出的多层片状压电陶瓷自耦合式降压变压器如图1所示，它是由作为电压输入的二组多层压电陶瓷片1和夹在这二组多层陶瓷片之间作为输出端的一组多层压电陶瓷片2组成。与以往普遍采用的Rosen型变压方式相比，本专利技术提出的压电陶瓷降压变压器的降压方式是通过压电陶瓷的机械和电学的耦合效应实现的。本专利技术中的结构形式是三组多层片状压电陶瓷片1、2是采用陶瓷/内电极一体共烧的，在每个陶瓷片上涂有电极，在电学上是串联，为叉指电极形式。本专利技术的压陶瓷降压变压器的一个重要特征是多层片状压电陶瓷片的极化方向是一致的。本专利技术的另一个重要特征是变压器的输入和输出端是不共地连接的。本专利技术提出的多层片状压电陶瓷降压变压器由方形、或长方形或圆形的多层压电陶瓷片叠合形成的柱状结构(附图2，3)。本专利技术提出的压电陶瓷降压变压器的电压输入端分别加在多层陶瓷变压器的上下二个表面，电压输出端分别与中间夹层的多层片状压电陶瓷相连接。本专利技术所述的压电陶瓷变压器是以一阶或高阶径向模式振动的，或长度共振型，或径向共振型。本专利技术所述的各组多层片状压电陶瓷1和2的层数可以相等、也可以不相等。本专利技术所述的各组多层片状压电陶瓷1和2的厚度可以相等、也可以不相等。本专利技术所述的压电陶瓷片采用功能陶瓷中常规的轧膜和流延法制备，其单一的压电陶瓷片的厚度为50～250微米；所用的内电极依压电陶瓷片的烧结温度可为高温银电极、银钯电极或铂电极中一种；其结构为叉指电极形式。本专利技术多层压电陶瓷的等效极化方向是相同的。本专利技术中所述的多层片状压电陶瓷自耦合式降压变压器可以是三组多层片状压电陶瓷分别烧结后用粘接剂粘接而成，也可以是一体共烧而成的。电压的输入和输出端是不共地连接的。本专利技术的多层片状压电陶瓷自耦合式降压变压器的制备方法如下先按电子陶瓷常规制备方法制备压电陶瓷变压器粉体，然后将陶瓷粉体与有机粘结助剂按一定的比例混合，得到厚膜成型陶瓷浆料。用轧膜或流延技术按器件要求制备成50～250微米的厚膜陶瓷素坯。用用两种成型方法制备出陶瓷素坯膜，在素坯膜的一个表面按压电陶瓷变压器设计的要求印刷内电极浆料，然后将印有电极图形的陶瓷坯膜按设计要求进行压电陶瓷变压器结构叠片，热压成型为一体化的多层陶瓷素坯。将多层陶瓷素坯放置在合成炉中缓慢升温至某一温度后保持恒温以排除有机粘结剂，然后再升温至陶瓷的合成温度进行预合成。最后对合成后的多层陶瓷/内电极块体进行异质共烧，得到具有如图1所示结构的片状压电陶瓷体。对压电陶瓷按电极取向进行极化，得到的多层片状压电陶瓷自耦合式变压器。在图1中所示的多层片状压电陶瓷1和2，它们可以分别一体烧结、极化，然后用粘结剂将它们粘结成图1所示的结构，也可以叠合后三层一次一体化共烧而成。综上所述，本专利技术的优点是显而易见的1.本专利技术的压电陶瓷降压变压器通过压电陶瓷片之间的机械和电学串联，使其降压具有自耦合的功能。这一结构的最大特点是压电陶瓷变压器的机械共振不再如Rosen型变压器那样作为能量的传递媒介，而是起到调整输入电压和电流之间的相位的功能。2.由前述1的特点，输入和输出端的陶瓷由于机械串联，输入阻抗和体积可以进一步减小。3.本专利技术的压电陶瓷降压变压器，其输入和输出电压不共地。4.压电陶瓷变压器的结构设计更加灵活，可按应用要求有效地调节变压器的降压比，并获得高的功率转换效率。降压比可达0.16，功率转换效率高达98％，有望可广泛应用于新一代的移动通讯、手机等电子产品中。附图说明图1多层片状压电陶瓷自耦合变压器的结构示意图。图中1为与输入端电压相连接的压电陶瓷，2为与输入端电压相连接的压电陶瓷。图2长方形的长度共振型多层片状压电陶瓷自耦合变压器。图中3为长方形压电陶瓷变压器中与输入端电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层片状压电陶瓷自耦式降压变压器，其特征在于所述的降压变压器是由三组多层片状压电陶瓷组成，上、下二组片状压电陶瓷（１）与输入电压端相连接，中间的一组片状压电陶瓷（２）与输出电压端相连接，且所述的三组多层片状压电陶瓷的等效极化方向相同。

【技术特征摘要】
1.一种多层片状压电陶瓷自耦式降压变压器，其特征在于所述的降压变压器是由三组多层片状压电陶瓷组成，上、下二组片状压电陶瓷(1)与输入电压端相连接，中间的一组片状压电陶瓷(2)与输出电压端相连接，且所述的三组多层片状压电陶瓷的等效极化方向相同。2.根据权利要求2所述的降压变压器，其特征在于三组多层片状压电陶瓷为方形、矩形或圆形。3.根据权利要求1所述的降压变压器，其特征还在于三组多层片状压电陶瓷采用叠合的方式形成柱状结构。4.根据权利要求1、2或3所述的降压变压器，其特征在于三组多层片状压电陶瓷的层数相等或不相等。5.根据权利要求1、2或3所述的降压变压器，其特征在于三组多层片状压电陶瓷的厚度相等或不相等。6.根据权利要求1、2或3所述的降压变压器，其特征在于压电陶瓷是以一阶或高阶径向模式振动的；或长度共振型，或径向共振型中一种。7.根据权利要求1、2或3所述的降压变压器，其特征在于电压的输入和输出端是不共地连接的。8.一种制备多层片状自耦式压电陶瓷降压变压器的方法，先按电子陶瓷常规制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国荣，殷庆瑞，张望重，郑嘹赢，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]