壓電陶瓷變壓器的設計

1、文華學院電子材料與器件測試技術課程設計題目：壓電陶瓷變壓器的設計學部： 信息科學與技術 專業(yè)： 電子科學與技術 學號： 130108021125 姓名： 包威 指導教師： 梁軍或張曉薇 報告日期： 2015.12.30 目錄什么是壓電效應4定義4原理4分類4正電壓效應4逆壓電效應5壓電效應的發(fā)現(xiàn)5具有壓電效應的材料體系及其研究發(fā)展趨勢6壓電陶瓷材料研究現(xiàn)狀6一元系壓電陶瓷6二元系壓電陶瓷6三元系及多元系壓電陶瓷6壓電陶瓷的發(fā)展趨勢7壓電復合材料7壓電薄膜7無鉛壓電陶瓷7納米壓電陶瓷8壓電陶瓷變壓器的結構、原理及其應用特性9壓電陶瓷變壓器的基本原理與結構9壓電陶瓷變壓器的優(yōu)點10壓電陶瓷變壓器的

2、工作特性10升壓比特性10阻抗特性11頻率特性12溫度特性13負載特性14壓電陶瓷變壓器的發(fā)展趨勢14壓電變壓器的設計15壓電陶瓷的準同型相界16變壓器用壓電陶瓷的機械品質(zhì)因數(shù)Qm17摻雜改性17添加第三組元素18變壓器用壓電陶瓷的機電耦合系數(shù)kp19變壓器用壓電陶瓷的諧振頻率溫度穩(wěn)定性20調(diào)整鋯鈦比20添加穩(wěn)定劑21變壓器用壓電陶瓷的介電性能22變壓器用壓電陶瓷的低溫燒結22參考文獻23什么是壓電效應壓電效應：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。當作用

3、力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應研制的一類傳感器稱為壓電傳感器。定義壓電體受到外機械力作用而發(fā)生電極化，并導致壓電體兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與外機械力成正比，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應. 壓電體受到外電場作用而發(fā)生形變，其形變量與外電場強度成正比，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應. 具有正壓電效應的固體，也必定具有逆壓電效應，反之亦然. 正壓電效應和逆壓電效應總稱為壓電效應.晶體是否具有壓電效應，是由晶體結構的對稱性所決定的原理壓電效應的原理是，

4、如果對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓，則產(chǎn)生機械應力（稱為逆壓電效應）。如果壓力是一種高頻震動，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產(chǎn)生高頻聲信號（機械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能，這種相互對應的關系確實非常有意思。壓電材料可以因機械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(chǎn)生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用。例如，壓電材料已被用來制作智能結構，此類結構除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應性和自修復性等功能，在未來的飛行器設計中占有重要

5、的地位。分類:壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應。正電壓效應是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時,內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。逆壓電效應是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應。例如石英

6、晶體就沒有體積變形壓電效應，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。這里再介紹一下電致伸縮效應。電致伸縮效應，即電介質(zhì)在電場的作用下，由于感應極化作用而產(chǎn)生應變，應變大小與電場平方成正比，與電場方向無關。壓電效應僅存在于無對稱中心的晶體中。而電致伸縮效應對所有的電介質(zhì)均存在，不論是非晶體物質(zhì)，還是晶體物質(zhì)，不論是中心對稱性的晶體，還是極性晶體。壓電效應的發(fā)現(xiàn)1880年皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發(fā)現(xiàn)電氣石具有壓電效應。1881年，他們通過實驗驗證了逆壓電效應，并得出了正逆壓電常數(shù)。1984年，德國物理學家沃德馬·

7、沃伊特（德語：Woldemar Voigt），推論出只有無對稱中心的20中點群的晶體才可能具有壓電效應。具有壓電效應的材料體系及其研究發(fā)展趨勢壓電陶瓷材料研究現(xiàn)狀 壓電陶瓷指把氧化物混合(氧化鋯、氧化鉛、氧化鈦等)高溫燒結，固相反應后而成的多晶體，并通過直流高壓極化處理使其具有壓電效應的鐵電陶瓷的統(tǒng)稱。所有壓電陶瓷都具有這一性質(zhì)，即當外電場變化時，可以使極化強度減少到零或使極化轉向。一元系壓電陶瓷 BaTi03。是典型的陶瓷鐵電體，具有鈣鈦礦晶體結構BaTi03。不溶于水，機電耦合系數(shù)大，成為最早的有實用價值的壓電陶瓷。BaTi03。壓電陶瓷和石英晶體、羅息鹽等壓電單晶相比具有制備容易，且可制

8、成任意形狀和任意極化方向的產(chǎn)品等的優(yōu)點。PbTi03。居里溫度高(Tc=490 )，自發(fā)極化強度是各種鈣鈦礦型晶體結構的鐵電體中最高的是一種具有熱釋電性和壓電性，能在高溫下使用的壓電陶瓷。鑭系元素(La，Ce，Nd，Sm，Eu和Gd)的摻入對于PbTi0。陶瓷晶格參數(shù)及介電、壓電性能的影響比較大。Udomporn等人直接用Pb0和Ti0作為初始原料，不摻入其它元素，燒結溫度1225 ，嚴格控制工藝參數(shù)，成功合成了晶粒細小致密、組織均勻、燒結密度達到理論值為97的PbTi0。陶瓷81。自80年代以來，逐漸發(fā)展了兩種新型的改性PbTi0 陶瓷，即CaPbTi03陶瓷和SmPbTi03陶瓷。改性的P

9、bTi0。陶瓷的突出優(yōu)點是強的壓電各向異性即在一定組分和極化條件下，可以獲得高的K K。值，優(yōu)于PZT和PT，這對于電子掃描超聲的應用非常有利二元系壓電陶瓷 50年代初，一種能大大優(yōu)于鈦酸鋇的壓電陶瓷材料 鋯鈦酸鉛研制成功。由于T 的離子半徑與Zr 的離子半徑相近，且兩種離子的化學性能相似，PbZr03 和PbTi03。能以任何比例形成連續(xù)固溶體。1955年美國國家標準局NBS研究所(現(xiàn)稱NIST)的Jaffe等人發(fā)現(xiàn)，在因成分變化引起的所謂準同型相界或同質(zhì)異晶相變成分X=052) 。附近，四方相和三角相共存，相變激活能低，只要在微弱電場的誘導下，就能發(fā)生晶相結構的轉變，極化處理時可以獲得高壓

10、電活性和高介電常數(shù)，壓電常數(shù)是BaTiO3。的兩倍，且其各方面的性能比BaTiO3。陶瓷好得多。PZT的出現(xiàn)開辟了壓電陶瓷應用的新局面，對壓電陶瓷來說具有劃時代的意義。為了適應不同的應用需要，獲得不同的壓電、介電性能，采用改變鋯、鈦比的方法，ZrTi主要集中于5347和955組成范圍； 但單純依靠不同ZrTi的改變來改善PZT材料的性能，遠遠滿足不了不同領域的要求還可以在選擇ZrTi的基礎上采取等價離子及不等價離子置換或者摻加雜質(zhì)、氧化物的方法。微量的添加物或用置換元素進行改性后，二元系配方比一元系配方性能更為優(yōu)良，具有高耦合、高機械品質(zhì)因數(shù)和高穩(wěn)定性等特征，在使用范圍內(nèi)沒有明顯相變點，可作為

11、濾波器等通信材料，而高耦合、高介電常數(shù)方面的優(yōu)點又明顯擴大了壓電陶瓷的應用范圍，不僅可作為振子，而且還可作為換能器材，在這些應用中都充分發(fā)揮了壓電陶瓷的獨特作用 。自從PZT壓電陶瓷合成成功，它為壓電陶瓷應用在變壓器、濾波器、換能器、通訊、計測、引燃引爆裝置、超聲延遲線等各個方面打開了前所未有的新局面。三元系及多元系壓電陶瓷 PZT壓電陶瓷不斷改進，逐趨完美。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。1965年，日本松下電氣公司把Pb(MgaNb ，3)0。作為第三組加到PZT中制成了第一種三元系陶瓷。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在這種三元系壓電陶瓷中添加一些氧化物會提高機電耦合系數(shù)

12、K。和高機械品質(zhì)因數(shù)Q ，還能夠使頻率常數(shù)和老化特性得到改善J 。三元系陶瓷比二元系陶瓷具有更為優(yōu)越的性能可以大幅度地調(diào)節(jié)可供選擇的組成成份和壓電性，容易獲得高機電耦合數(shù)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(tǒng)的壓電陶瓷進行離子置換和摻雜改性可獲得高介電、高壓電性能并在三元系的基礎上發(fā)展了更為復雜的四元系、五元系陶瓷材料1 ，使壓電陶瓷的研究前景更為廣闊壓電陶瓷的發(fā)展趨勢壓電復合材料壓電復合材料是指壓電相材料和非壓電相材料按照一定的連通方式合成而構成的一種具有壓電效應的復合材料。常見的壓電復合材料是由壓電陶瓷(如PZT或Pb-TiO。)和聚合物(如聚偏氟乙

13、烯、環(huán)氧樹脂或硅橡膠等)組成的兩相材料。由于壓電復合材料具有優(yōu)良綜合性能和可設計性，因此它的出現(xiàn)引起各國學者的極大興趣，紛紛開展研究，其研究主要集中在美國、日本、德圍、南韓等發(fā)達國家，其中日本的研究工作比較突出 j。 電陶瓷的脆性大經(jīng)不起機械沖擊：而壓電聚合物雖然柔性好，但是它的制備成本高，一般只能在低溫范圍使用。壓電復合材料克服上述兩種材料的缺點，兼有兩者的優(yōu)點，既具有優(yōu)良的壓電效應面又保持聚合物的機械可撓曲性。壓電復合材料在水聲、超聲、電聲以及其它方面得到了廣泛的應用。壓電薄膜隨著電子器件的小型化以及新的微電子機械(MEMS)創(chuàng)建新型電子器件，實現(xiàn)電子器件概念上的突破在很大程度上推動從體材

14、料研究轉向薄膜。只要性能達到要求，可以薄膜代替單晶或多晶材料，而且薄膜易于滿足對幾何尺寸的要求，成本低于昂貴的單晶鐵電材料。20世紀90年代初興起的鐵電薄膜發(fā)展十分迅速。壓電薄膜的制備方法主要有濺射法、溶膠一凝膠法、金屬有機物熱分解法和絲網(wǎng)印刷法、脈沖激光淀積法等。溶膠一凝膠法的優(yōu)點是能夠與光工藝兼容，可以制備大面積涂層能精確地控制膜的組分，制作成本低并且也可以制備厚膜的塊體陶瓷，因此溶膠一凝膠法制備的PZT薄膜應用于MEMS器件受到重視。無鉛壓電陶瓷目前所用的壓電陶瓷絕大部分為鉛基壓電陶瓷。近年來，隨著環(huán)境保護和人類社會可持續(xù)發(fā)展的要求，研發(fā)新型的鐵電壓電陶瓷已成為世界發(fā)達國家致力研發(fā)的熱點

15、材料之一。目前對BaTiO3。、鈦酸鉍鈉(BNT)、鉍層狀結構以及鈮酸鹽四大類無鉛壓電陶瓷體系進行了大量的研究和開發(fā)工作。中國科學院上海硅酸鹽研究所于2001年成功地開發(fā)了鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷系列(1-x)Nal,2 Bi l,2 TiO3-xBaTiO3，研究表明x=006時其壓電性能最好 。日本和美國的一些大學和研究機構都在進行無鉛壓電陶瓷材料的探索，并開發(fā)出一些很有價值的壓電材料。納米壓電陶瓷近年來，各國都積極研究和開發(fā)新的壓電功能陶瓷。納米技術的發(fā)展已經(jīng)使陶瓷粉體、纖維、薄膜和塊體進入了一個嶄新的領域研究的重點大都是從老材料中發(fā)掘新效應，開拓新應用，從控制材料組織和結構人手，尋找新的

16、壓電材料。由于納米陶瓷呈現(xiàn)出許多優(yōu)異的特性引起了人們的廣泛關注。目前材料工作者正在摸索制備具有高致密度的納米陶瓷的工藝，其中包括有PZT材料的納米化控制納米PZT材料的制備工藝，納米PZT材料特性的評價方法等。高性能的電子陶瓷材料一個重要的發(fā)展趨勢是：用納米粉體作為原材料生產(chǎn)諸如陶瓷電容器、壓電陶瓷，將納米材料應用到陶瓷工藝中去，生產(chǎn)納米復合或納米改性的高技術陶瓷。 壓電陶瓷廣泛用于電子技術、激光技術、通訊、生物、醫(yī)學、導航、自動控制、精密加工、傳感技術、計量檢測、超聲和水聲、引燃引爆等軍用、商用及民用領域。眾所周知，PZT基壓電陶瓷的T 一般為300 360 oC， 不能滿足某些應用的需要，

17、研制一些具有優(yōu)良壓電性高居里溫度T 的壓電陶瓷成為研究熱點：還要繼續(xù)探索弛豫鐵電單晶具有高壓電活性的機理并尋求新的低鉛及無鉛的、位于類質(zhì)異晶相界的壓電新材料；希望壓電陶瓷能在較低溫度(一4C)及高靜水壓力(20MPa)下工作，滿足深海探索的需求；開展PZT基陶瓷在低溫(<一100)條件下的性能研究以適應太空的需要 壓電陶瓷變壓器的結構、原理及其應用特性壓電陶瓷變壓器是用鐵電陶瓷材料經(jīng)燒結和高壓極化等工藝制成的一種新型電子變壓器，利用壓電材料的逆壓電效應和正壓電效應，完成機械能與電能之間的轉化，實現(xiàn)高壓輸出。進入90年代中期后，隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展及電子產(chǎn)品朝輕、薄、短、小方向發(fā)展的趨勢

18、，使得壓電陶瓷變壓器技術與產(chǎn)業(yè)得到長足進步和發(fā)展。壓電陶瓷變壓器的基本原理與結構 壓電陶瓷變壓器采用壓電材料， 利用機電轉換特性， 配合元件的振動部分、 發(fā)電部分電機， 進行極化設計， 由輸入電壓使壓電片處于共振狀態(tài)， 再由正壓電效應， 將高應變轉化成電壓輸出， 從而達到變壓的效果。圖1為其長條片型一體化結構簡圖， 采用特殊壓電陶瓷材料 （如改性鋯鈦酸鉛或鈮鎂鋯鈦酸鉛） ，經(jīng)高壓力成型、 高溫燒結和高壓電場極化等一系列工藝制成。壓電陶瓷變壓器基于正逆壓電效應， 在機電能量二次轉換過程中， 通過體內(nèi)阻抗變換升壓。當壓電變壓器輸入端 （驅動部分） 加入一定頻率的交變電壓， 由于逆壓電效應， 使壓電

19、變壓器產(chǎn)生沿長度方向的伸縮振動， 輸入端的電能轉換為機械能。在發(fā)電部分， 由于存在縱向振動， 通過正壓電效應， 機械能轉換為電能， 使輸出端有高電壓輸出。因壓電陶瓷變壓器的反射阻抗隨負載阻抗的減小而增加， 這個特性在高壓應用時極為重要。當負載短路或高壓放電時， 陶瓷變壓器的輸入阻抗迅速增加， 保證變壓器及外圍電路不至燒毀。因此， 使用壓電陶瓷變壓器， 電源無需另設短路保護電路。壓電陶瓷變壓器的優(yōu)點較之傳統(tǒng)繞線式變壓器， 壓電陶瓷變壓器具有以下優(yōu)點1、 結構簡單、 體積小、 功率大、 重量輕， 適應電子元器件薄型化的發(fā)展趨勢；2、 無需磁芯和銅線， 可節(jié)省金屬材料；3、 不會因短路而被燒毀， 不

20、會被高壓擊穿， 不怕受潮， 不怕電磁干擾， 無噪聲。能適應在潮濕、 鹽霧、 沖擊、 振動等各種惡劣環(huán)境下正常工作；4、 轉換率高、 升壓比高、 安全性能超群；5、 應用范圍廣。盡管壓電陶瓷變壓器具有以上這些優(yōu)點，但也存在一些不足，例如：a壓電陶瓷變壓器輸出功率比較小。雖然有些壓電變壓器的輸出功率可達20W（如NEC制作的尺寸為14mm×14mm×6mm的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器輸出功率達20W以上，諧振頻率為140KHz，在20W時的轉換效率為97%）乃至3040W，但目前成熟產(chǎn)品的輸出功率不超過10W，因此僅適用小功率、小電流和高電壓領域。b只有當輸入電壓頻率在壓電變

21、壓器的諧振頻率附近時，才有最大的輸出電壓，如果偏離諧振頻率，電壓下降的幅度較大。因此，壓電陶瓷變壓器與傳統(tǒng)繞線式變壓器不同，其工作頻率范圍比較窄。c壓電陶瓷變壓器所涉及的相關控制和驅動電路比較復雜，這會使系統(tǒng)成本增加，可靠性變差。d對安裝固定與配置要求比較嚴格。壓電陶瓷變壓器有半波模諧振和全波模諧振兩種安裝狀態(tài)，在固定陶瓷片時，支撐點必須選定在振動位移為零處，即半波模諧振的支撐點在陶瓷片的中間，全波模諧振的支撐點在距左端的1/4處，否則會影響升壓比和轉換效率。壓電陶瓷變壓器的工作特性升壓比特性 對 PT進行測試的線路如圖2-4所示。信號源所提供的交流電壓的頻率與 PT的諧振頻率相同 。PT的輸

22、出為二倍壓 整流直流輸出。測試結果如圖2-5所示。圖2-2a、b中實線為理論值 ，三角、方波及圓點為實驗值。當負載一定時，輸出電壓與輸人電壓成線性關系 ，而圖2-5a中的實測值很好地反映了這一關系。由圖2-5b不難看出，當負載阻抗足夠大時升壓比達到了10倍以上，并且隨著負載阻抗的增大，升壓比還可進一步提高。我們在實驗中測得 的升壓 比達到100倍 以上 ，即在 10M負載下 ，輸入20V電壓 ，輸出端得到23kv 多的電壓。在測試中我們還觀察到，隨著負載逐漸減小，PT的諧振頻率有所下降，如圖2-5c所示。圖2-5d反應了PT的頻率諧振特性，從圖中可以看出，PT相當于一個具有放大功能的窄帶濾波器

23、，只有當輸人信號(電壓)的頻率接近 PT的諧振額率時，此電壓才被大幅度放大，當輸人信號的頻率偏離 PT的諧振頻率較大時(lkHz)，放大倍數(shù)大大降低。圖2-4 測試線路 圖2-5 測試曲線阻抗特性 PT的阻抗特性如圖2-6所示。測試條件為輸出端開路 ，無整流電路 。圖2-6a顯示 ，PT的半 波諧振頻率為35kHz，全渡諧振頻率為70kHz，這與振動理論分 析的結果 是相同的。圖2-6b是 PT輸人端電壓與電流間的相位差隨頻率變化的曲線 。由圖可見 ，在正、反兩個諧振點上，相位差為0，輸人阻抗為純阻性 ；兩點之間為感性 ；兩點外為容性 ，電壓落后于電流。 圖2-6 阻抗特性頻率特性 電磁變壓器

24、工作頻率決定鐵心材料 、繞組及繞組的分部參數(shù)，一般來說它可以在較寬的頻帶范圍內(nèi)工作。 壓電陶瓷變壓器只有在頻率等于壓電變壓器固有諧振頻率的驅動電壓激勵下 ，使陶瓷片 處于諧振狀態(tài)，沿其長度方向振動最強的情況下 ，才有升壓作用。陶瓷變壓器的諧振頻率 、決定于陶瓷片的幾何尺寸和材料的聲速 ，即 式中V是材料的聲速，是沿長度方向的駐波波長。若 =2L，即陶瓷變壓器之長度等于全波波長時，稱全波諧振 ，此時駐波節(jié)點有兩個 ，分別位于片長兩端的四分之一處 。若 = 4L，即壓電變壓器的長度等于半波長時 ，稱為半波諧振，此時，節(jié)點有一個，位于片長的中間。因駐波節(jié)點振幅為零 ，所以壓電陶瓷變壓器的固定支承點應

25、選在駐波的節(jié)點上 ，正確選擇支承點位置，使用壓電陶瓷變壓器時必須注意。圖2-7為測定 wTB一2型壓電陶瓷變壓器的升壓比一頻率特性。 從圖2-7可以看出，壓電陶瓷變壓器升壓比隨輸入電壓的頻率變化而變化 ，在諧振頻率附近 升壓比最大 ，它的頻帶很窄。從壓電變壓器的轄入端觀看 ，內(nèi)部等效電路如圖 2-8，它與水晶振子的特性相似 ，壓電陶瓷變壓器 ，不管是半波諧振或者全波諧振 ，都呈申聰諧振性質(zhì) ，其諧振頻率分別為 ，這是壓電陶瓷變壓器的一個重要性質(zhì) ，也是它與線繞變壓器的一個重要差別12 圖2-7 G-f特性曲線圖2-8 輸入回路等效電路溫度特性一般線繞式變壓器在教寬的溫度變化范圍內(nèi)，電氣特性幾乎

26、沒有多少變化，但在高于100以上時，由于一般的絕緣材料老化速度大大加快而使變壓器的壽命很快下降，甚至燒壞。陶瓷變壓器的耐熱性能教好，通常以鋯鈦酸鉛為主的陶瓷材料，其失效的居里點可高達350以上，因此，一般不會燒壞。但是陶瓷變壓器在工作時，對工作變化敏感，特別時候在低溫范圍（<0），由于溫度變化了使諧振頻率的漂移，結果升壓比將有變化，對工作穩(wěn)定性有一定的影響。 圖2-9 溫度特性曲線圖從圖2-9可看出，壓電變壓器的諧振頻率隨溫度升高而增大，因此環(huán)境溫度的變化和陶瓷變壓器本身因機械和介質(zhì)損耗而發(fā)熱，將引起諧振頻率的漂移，從而影響陶瓷變壓器的穩(wěn)定輸出。要克服這個問題，除了要求選用溫度特性較好的

27、材料做變壓器外，在設計驅動電路時，一般要采取穩(wěn)壓措施，才能保證陶瓷變壓器工作的穩(wěn)定性。負載特性負載特性表示在輸入電壓一定的條件下，輸出電壓隨負載變化的關系。特性曲線表明：輸出電壓隨負載阻抗增大而增加。陶瓷變壓器這個特性是由于輸入阻抗較大（約在十幾兆歐至幾十兆歐）引起的。因此，在負載變動的情況下，采用陶瓷變壓器作高壓電源時，必須采取措施，才能保證高壓有較好的調(diào)整率。壓電陶瓷變壓器的發(fā)展趨勢與其它陶瓷元器件一樣，日本在壓電陶瓷變壓器方面擁有非常雄厚的技術實力，NEC、Tamura、日本金屬、TDK、Epson、Tokin、Mitsbishi、本田（Hodan）、村田制作所（Murata）、Pana

28、sonic、TOTO、京瓷（Kyocera）、東京工業(yè)大學、山形大學等公司和研究機構都卷入到壓電陶瓷變壓器的研發(fā)。美國賓州州立大學智能材料實驗室、德州儀器（TI）、摩托羅拉、德國西門子、荷蘭飛利浦、法國阿爾卡特公司、波蘭陶瓷研究所、韓國Tronix公司和DFT公司、中國臺灣地區(qū)的先寧電子和新巨公司等多家公司也都從事壓電陶瓷變壓器材料與器件的研發(fā)。中國大陸從事壓電陶瓷變壓器研發(fā)的單位有西安康鴻、深圳富康、中國電子科技集團公司第26研究所、北京漢之源、北京海特創(chuàng)源、中國科學院上海硅酸鹽研究所等。未來幾年壓電陶瓷變壓器的發(fā)展趨勢是其具有更高的升壓比、更小的體積和更低的驅動電壓，要求像阻容元件那樣系列

29、化、規(guī)范化、片式小型化。為此，各大研發(fā)機構和生產(chǎn)廠商都在圍繞以下三個方面開展工作：1繼續(xù)開發(fā)大功率壓電陶瓷材料壓電陶瓷變壓器是利用壓電陶瓷材料的正、逆壓電效應，并以其諧振頻率激發(fā)出電壓，因此，要求壓電陶瓷材料具有高的機電耦合系數(shù)，高的機械品質(zhì)因素；同時，要求介質(zhì)損耗要很低，以避免工作時產(chǎn)生損耗發(fā)熱，為了進一步提高升壓比，應開發(fā)振動速度更高的壓電陶瓷材料。另外，為了制作小功率（<1W）的微型變壓器，應開發(fā)壓電膜變壓器。2研究大功率的結構形式目前，使用的壓電陶瓷變壓器多數(shù)為單片形或多層長條形的，這種結構的器件制作工藝簡單，升壓比較高，但負載能力差，功率小，功率密度<14W/cm3，一般

30、用于高電壓、小電流、高阻抗負載。要適應大功率的應用，必須開發(fā)圓片形、方片形或圓環(huán)多層獨石結構的壓電陶瓷變壓器，這一類的器件制備工藝相對復雜些，但功率密度和承載能力要比長條形器件的大，現(xiàn)有報道，這類結構的壓電陶瓷變壓器功率密度可達40W/cm3，負載100K的有效升壓比可達80倍，而長條單片型負載100K的有效升壓比<10倍，疊層形負載100K的有效升壓比<50倍。3驅動、控制電路集成化壓電陶瓷變壓器能否充分發(fā)揮其高轉換效率，工作時功率的大小，很大程度上取決于驅動電路和反饋控制電路的優(yōu)劣。有必要研究開發(fā)頻率的跟蹤范圍寬，能可靠控制壓電陶瓷變壓器始終在其諧振點工作，體積小、成本低的集成

31、電路，能與壓電陶瓷變壓器配套裝配成各種規(guī)格的電源模塊，供應市場，便于壓電陶瓷變壓器的推廣應用。壓電變壓器的設計 壓電陶瓷變壓器的研究，從20世紀5O年代中后期就已經(jīng)開始。但是，那時的壓電陶瓷材料是以BaTiO3為主成分，由于其壓電性能差，制成的壓電變壓器升壓比僅有50"-60倍，在實用方面未能引起人們的重視。隨著鋯鈦酸鉛PZT和以PZT為基的三元系、四元系壓電陶瓷材料的出現(xiàn)，具有高升壓比、高穩(wěn)定性和高輸出功率的壓電陶瓷變壓器相繼問世，其使用范圍也在不斷擴大，逐步應用于筆記本電腦、移動電話、數(shù)碼相機、傳真機、復印機等電子信息產(chǎn)業(yè) 。三元系、四元系壓電陶瓷是在PZT 的基礎上添加復合鈣鈦

32、礦結構的化合物形成的， 由于其性能可在更大范圍內(nèi)加以調(diào)整，加之通過等價和不等價的元素取代和改性，能得到比PZT更為優(yōu)異的壓電陶瓷組成，制備的變壓器的升壓比、功率特性、穩(wěn)定性也更優(yōu)。 然而，目前有關適用于壓電變壓器的多元系壓電陶瓷材料的成分設計及影響其性能的因素方面的研究報道甚少，筆者將在實驗工作和對相關文獻研究的基礎上，以三元系壓電陶瓷為重點，分別從高 ，高Q ，高Qe，高諧振頻率溫度穩(wěn)定性和低燒結溫度的性能要求方面進行分析和討論，提出適用于壓電變壓器的多元系壓電陶瓷材料的成分設計規(guī)則。 壓電陶瓷的準同型相界PZT陶瓷在ZrTi為53，47摩爾比時存在準同型相界(MPB)，相界附近自發(fā)極化的可

33、能取向較多，因而在極化處理時自發(fā)極化排列程度增高，壓電性能也較好 。弛豫鐵電體(Relaxor)，如鈮鋅酸鉛Pb(Znl，3Nb2乃)o3(PZN)，鈮鎳酸鉛PbfNilr3Nb2a)O3(PNN)等與'no3if'r)也形成類似PZT的準同型相界，該相界附近具有較大的機電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)，其良好的介電和壓電性能近些年也得到了廣泛的應用表1中列出了幾種典型弛豫鐵電體的準同型相界聞將PbTiO3(盯)，PbZrO3(PZ)和弛豫鐵電體復合，可以得到如下三元體系相圖。從圖1中可以看到，在PZT和Relaxor-PT中的準同型相界僅有一個點(MPB I，MPB II)可供配方設計，

34、而在三元體系中卻有整條準同型相界線(MPB)可供選擇。三元體系中可供選擇的組成范圍更為寬廣，沿著三元相圖中準同型相界附近改變組分，可以兼顧以上兩類二元系材料的特點，獲得幾種介電和壓電性能都得到滿足的壓電陶瓷，這非常有利于對各項電學參數(shù)要求均高的壓電變壓器用陶瓷的成分設計。此外，由于實用的壓電陶瓷變壓器對居里溫度f(=要求較高(>250)，Relaxor-PT鐵電材料的居里溫度一般較低，在150200，這樣就需要配方中含有較多的PZT(tc360)以提高體系的居里溫度tc(表1)，因此壓電陶瓷變壓器的主加組元應在靠近三元相圖底線(Pz盯)附近的準同型相界附近尋找。 還需注意的是，準同型相界

35、線處的壓電性能(壓電常數(shù)，機電耦合系數(shù)，介電常數(shù))雖然優(yōu)異，但其對成分的微小變動卻極為敏感，工藝重復性差；此外，由于相界處晶體結構是四方、三方兩相共存(介穩(wěn)狀態(tài))，這種結構的活動性大，導致了內(nèi)摩擦的增加，從而造成在準同型相界線處出現(xiàn)機械品質(zhì)因數(shù)的極小值。因此，壓電陶瓷變壓器的主加組元設計應選擇靠近準同型相界線的四方相一側組成，這樣可以確保綜合壓電性能的最優(yōu)。 變壓器用壓電陶瓷的機械品質(zhì)因數(shù)Qm 出于壓電變壓器高升壓比和高效率的性能要求，壓電陶瓷材料應具有較大的機械品質(zhì)因數(shù)Q 。壓電陶瓷變壓器在機械諧振狀態(tài)下輸出高壓時， 由于克服晶格形變產(chǎn)生的內(nèi)摩擦要消耗一部分能量，因而會造成機械損耗。Q 反映

36、了這種損耗的程度，Q 越大，機械損耗越小 】。Q 可由(1)式進行計算式中：R為諧振電阻；fr為諧振頻率；，a為反諧振頻率；C 為1 kI-Iz下試樣的靜電容量。由于壓電變壓器用陶瓷需要有較高的介電常數(shù)以提高其輸出功率特性，即需要有較大的電容量值，此外，壓電變壓器用陶瓷還需具有較高的機電耦合系數(shù)以確保高的轉換效率，根據(jù)(2)式，高k 需要有高的諧振反諧振頻率差值(a-fr)，因此，獲取高Q只能從減小諧振電阻入手。諧振電阻的物理意義是樣件諧振狀態(tài)下的最小阻抗，其數(shù)值受壓電陶瓷微觀電疇運動的活性所影響，而電疇運動的活性與陶瓷的晶粒大小、致密度和微量摻雜相關。提高壓電陶瓷變壓器材料Q 的方法主要有以

37、下兩種： 摻雜改性這里所說的摻雜改性主要是受主摻雜，即用低價離子取代鈣鈦礦結構中B位的2 或T 高價離子。常用的這類離子有Mn3+，Cr3 ，F(xiàn)e 等 ·。們。這些低價離子的引入，導致晶格結構上出現(xiàn)氧空位以使電荷得到平衡。氧空位的出現(xiàn)使鈣鈦礦結構的三維氧八面體族產(chǎn)生明顯的畸變，對電疇轉向產(chǎn)生“釘扎效應”，阻礙了極化翻轉。因而這類材料較“硬”，諧振電阻較小，Q 顯著上升。此外，由于氧八面體的“骨架”發(fā)生“塌陷”使晶胞尺寸縮小，電疇運動活性降低，致使這類陶瓷體難于極化和去極化，因而抗老化性特別好，適宜于作為壓電陶瓷變壓器材料使用。 Masafumi K 等人研究了MnO2摻雜量對05PN

38、N-0345PT-0155PZ體系壓電性能的影響，發(fā)現(xiàn)錳摻雜有效地提高了體系的Q 和電學品質(zhì)因數(shù)Qe(tg 倒數(shù)) 。表2給出了1 200"(2燒結時不同錳添加量( 為010)05PNN0345PT-0155PZ體系的壓電性能。添加第三組元素 Pb(Mnl，3Sb)O3和Pb(Mnl，3Nb23)O3是文獻報道最多的用作提高功率特性的弛豫鐵電體組元，其特征是復合鈣鈦礦的B 位由受主摻雜元素(Mn)和施主摻雜元素(Sb，Nb)構成】。對于大功率壓電陶瓷變壓器，少量Pb(Mnl，3Sb23)O3或Pb(Mnlt3Nb2t3)O3的加入即可獲得高于2 000的Q 值，且其它壓電參數(shù)不劣化。

39、Pb(Mnl，3stw3)o3或PbfMn,nN )Ch作為組元加入到陶瓷體中會產(chǎn)生數(shù)量相當大的空間電荷(Pb(Mnl，3Nb)O3 產(chǎn)生的空間電荷約是Pb(MnlnNbl，2)O3的4到5倍)。由此可以推知該類物質(zhì)的加入所帶來的大量空間電荷對疇壁運動將會起到很強的抑制作用，這顯著增加了材料內(nèi)部各電疇轉向的難度，因而提高了Q 值。然而添加Pb(Mnl，3stw3)o3或Pb(Mnlt3Nb213)O3的量不能太大，合適的添加量(摩爾分數(shù))一般應小于15。這是因為Pb(Mnl，3Sb23)O3和Pb(Mnlt3Nb2r3)O3與PZ，PT組成的三元相圖較為特殊(圖2)，在很大一片區(qū)域均難以制備出

40、純鈣鈦礦相，有惡化壓電和介電性能的焦綠石相出現(xiàn)。配方設計還需要注意的有以下兩點：一是這類體系燒結溫度一般很高(>1 200"(2)，可通過加入PNW、FZN等具有低燒特性的弛豫鐵電體復合形成四元系壓電陶瓷加以改善；二是大功率壓電陶瓷變壓器工作時，壓電體做大幅振動，因此需要機械強度很高的壓電陶瓷。實踐證明，陶瓷材料的破壞大多是沿晶界斷裂。對于細晶陶瓷來說，晶界比例大，當沿晶界破壞時，裂紋的擴展要走迂回曲折的路程，晶粒越細，該路程就越長，機械強度也就越高。因而為了獲得機械強度高的大功率壓電陶瓷，可以通過加入少量Ceo2形成細晶陶瓷來改善。CeO2是一種“軟硬兼有的添加物”，除了可以

41、抑制晶粒生長，還可以使材料的電阻率顯著提高，實現(xiàn)高溫高電場極化，使壓電性能充分被挖掘。 變壓器用壓電陶瓷的機電耦合系數(shù)kp機電耦合系數(shù)kp是表征壓電陶瓷材料機械能與電能之間轉換能力大小的物理量。由于壓電變壓器的工作原理是機電能量的二次轉換，因此高效率的壓電變壓器需要高機電耦合系數(shù)的壓電材料。壓電陶瓷在準同型相界(MPB)附近具有較高的=D，因此成分設計一般應選準同型相界附近的組成。此外，提高=D一般還采用施主摻雜的方法，即用半徑與Pb2 相近的三價離子如La3+，Nd3+，Sb3+等進入A位，或半徑與Zr¨，Ti4+相近的五價離子如Nb5+，Ta5 ，Sb5 ，六價的w6+進入B位進

42、行取代。高價取代低價的結果是帶來富余的正電荷，因而瓷體晶格中將出現(xiàn)大量的Pb缺位以平衡電價。Pb缺位的出現(xiàn)，使由于逆壓電效應所產(chǎn)生的機械應力及幾何形變在一定的空間范圍內(nèi)得到緩沖，因而使電疇翻轉時所要克服的勢壘降低，疇壁易于運動，=D值顯著增加。但是，前面提到為了提升材料的Q 值，一般需加入受主雜質(zhì)進行改性，然而受主雜質(zhì)的加入由于對電疇翻轉產(chǎn)生“釘扎效應”，在Q 值升高的同時， 值又有所降低。這就要求在進行壓電陶瓷配方設計時，不能只盯著個別參數(shù)，要綜合考慮各項電參數(shù)，反復篩選出綜合壓電性能最優(yōu)的配方。 此外，張福學等報道以Pb(Mnl，3stw3)o3為第三組元加入PzT可實現(xiàn)=p值與Q 值的雙

43、高【l ，這應與其B位既有受主摻雜元素Mn，又有施主摻雜元素Sb的特征相關。變壓器用壓電陶瓷的諧振頻率溫度穩(wěn)定性壓電陶瓷變壓器是在諧振頻率驅動狀態(tài)下工作的，然而機械損耗、介質(zhì)損耗和環(huán)境溫度的變化往往會造成諧振頻率的漂移，不利于器件的正常工作，因此壓電變壓器用陶瓷材料在指定的工作溫度范圍內(nèi)應具有良好的諧振頻率溫度穩(wěn)定性(諧振頻率溫度系數(shù)，趨于0 諧振頻率溫度系數(shù)r， 的表達式如下：式中： 為25*(2諧振頻率； 為頻率差；A T為測試溫度范圍。改善壓電陶瓷振頻率溫度穩(wěn)定性的方法主要有調(diào)整鋯鈦比和添加穩(wěn)定劑兩大類。調(diào)整鋯鈦比鐘維烈等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，壓電陶瓷諧振頻率溫度系數(shù)r， 隨鋯鈦比的變化存在一普遍

44、的規(guī)律【41，這可以用 B 皿l ) 4 eoz+02MnO2(CeOz、MnO2含量為質(zhì)量分數(shù))體系陶瓷圓片徑向振子的r， 與鋯鈦比 的關系為例加以說明，其它三元體系的變化規(guī)律與其相同。圖3為Ce，Mn摻雜改性的F-ZT陶瓷的 ， 隨鋯鈦比 的變化關系。O從圖3可以看到，在四方相區(qū)內(nèi)，隨鋯鈦比升高，諧振頻率溫度系數(shù)向正方向變化；而在準同型相界(MPB)附近，諧振頻率溫度系數(shù)又隨鋯鈦比的升高而急劇向負方向變化。隨鋯鈦比的變化存在諧振頻率溫度系數(shù)r， 為零的兩個組成：一個在四方相區(qū)，以T表示，一個在MPB附近， 以M 表示。T點附近的特點是：溫度系數(shù)隨鋯鈦比變化平緩，容易實現(xiàn)溫度系數(shù)為零，然而機

45、電耦合系數(shù)一般不高(<O50)；M 點附近的特點是：機電耦合系數(shù)一般較高(>050)，但溫度系數(shù)對工藝條件敏感，不易實現(xiàn)零溫度系數(shù)。因此，尋找綜合壓電性能較優(yōu)的高穩(wěn)定性壓電陶瓷配方應選擇M 點附近組分。為了改變M 點附近工藝性差的缺點，可以通過設計復相陶瓷加以改善：鐘維烈等通過復相陶瓷燒結技術制備了高品質(zhì)高穩(wěn)定性的硬性壓電陶瓷【l 。具體工藝如下：采用如圖3所示體系，分別在M 點兩側選擇諧振頻率溫度系數(shù)rfr變化較緩的組成制各基體組元。MPB四方相一側基體組元為A ( =050)，燒結溫度 ；MP三方相一側基體組元為B ( 056)，燒結溫度 。球磨混合A、B基體組元，經(jīng)造粒、成型

46、后于乃溫度進行燒結， <死< ，制各出復相陶瓷C。表3列出了A、B基體組元及其不同質(zhì)量比混合燒結所得復相陶瓷c的壓電性能。從表3可以看到，諧振頻率溫度系數(shù)r， 具有補償效應，精心調(diào)整A、B基體組元間的質(zhì)量比可以獲得0 r， 的復相陶瓷。因此，可以通過設計復相陶瓷來制各具有高諧振頻率溫度穩(wěn)定性的變壓器用壓電陶瓷材料。需要注意的有以下兩點：一是兩種基體組元r，之間能夠進行補償?shù)那疤崾菦]有發(fā)生固溶反應， 因此A或B基體組元的燒結溫度需高于復相陶瓷C的燒結溫度，但是A和B的燒結溫度不能同時都高于復相陶瓷C的燒結溫度，否則盡管固溶反應會被很好地抑制，但是復相陶瓷C卻很難燒結成瓷。二是基體組元A和B的組成需靠近MPB 以保持較高的機電耦合系數(shù)，但是又不能太近以避免進入準同型相界帶來工藝的不穩(wěn)定性。添加穩(wěn)定劑對于壓電陶瓷變壓器配方的設計，還可以通過添加少量穩(wěn)定劑來調(diào)節(jié) ， 。SrCO3、BaCO3、 o3和Fe203等可以使三