[发明专利]压电换能器

说明书

一种压电换能器，包括压电元件，压电元件能够工作以将压电元件的机械运动转换成电信号，并且将压电元件中的电信号转换成压电元件的机械运动，其中，压电换能器能够工作以在高于200℃的温度进行转换。

技术领域

本发明涉及压电换能器和制造压电换能器的方法，其中，压电换能器特别是但不限于具有在至少高于200℃的温度或在诸如高压、高应力或辐照的其他极端环境下有效工作的能力的压电换能器。

背景技术

压电材料表现出机电耦合，这使得它们能够以直接模式产生与施加的机械应力成比例的电荷。可替选地，在相反模式下，它们可以因外部电场的施加来产生应变。该现象于1880年由J.Curie和P.Curie首次发现，其对于现代器件如停车传感器、医用超声、燃料喷射阀和普遍存在的压电蜂鸣器而言是必要的。这些应用和其他典型应用跨越多个行业，但是可以归类为具有以下工作模式的换能器：(i)用于扬声器、燃料/油墨喷射、机器人学和MEMs的效应器、致动器以及电机模式；(ii)在医疗平台和声纳平台二者中的超声波成像、主动振动抑制、电子频率滤波器中采用的换能器模式，以及最后；(iii)用于拾音器、麦克风和气体点火器的传感器模式。事实上，市场空间由超过10万份申请专利覆盖并且每年价值大于100亿美元，并且市场空间由在效应器和换能器模式下使用的以锆钛酸铅(PZT)制成的换能器的销售所主导。

PZT含有高比例的铅(Pb)，而根据欧盟有关有害物质的限制指令(RoHS)，铅是在所有其他电子应用中被禁止的元素。目前，电陶瓷得到豁免，这是因为铅在提供这些材料所需的极化方面起着至关重要的作用，但是该豁免经常被审查，而且任何改变都将要求供应商和客户寻找无铅的替代品。

然而，主要地，虽然PZT被有效利用在广泛的市场中，但是PZT从根本上限于低于约200℃的应用——高于200℃时PZT压电性能的稳定性稳定下降。

高温电子是自二十世纪七十年代以来提出材料和设计挑战的研究领域，并且被公认为具有显著工业重要性的领域。目前，150℃的重复热循环的环境现在是典型的，其中，对于在最高达500℃工作的要求在诸如电子装置的应用中变得越来越必要，应用包括用于深的石油钻探的传感器、用于提高的工作效率的汽车致动器模式换能器、针对极端环境的核能和其他“清洁”能源解决方案。航空航天工业现在也需要传感器和效应器模式换能器以在大气和太空中承受超过500℃的温度达超过100,000小时，以提高效率、进行健康监测以及减少质量。例如，燃气涡轮的工作温度增加150℃使得不再需要涡轮冷却部件，并且随后可以将热效率提升6％。

PZT和其他常规压电材料的温度限制可以以若干种方式部分地克服；然而，这些解决方案中的每个解决方案均具有明显缺点。例如，一个解决方案可以通过使用一些中间材料来使换能器远离高温环境。然而，换能器的灵敏度和带宽受到不利影响。可替选地，一个解决方案可以通过将换能器间歇性地插入高温环境或者用诸如水的液体冷却换能器来防止过热。然而，可能需要复杂的工程解决方案来以这种方式有效地防止过热。另一可能性是简单地接受材料在高温环境中将具有短寿命，但是定期更换换能器会既昂贵又耗时。当在具有高辐射或高压的环境中使用材料时，存在类似的问题。

已经做出了大量的努力来开发采用光学纤维、贵金属应变计和压电体的高温换能器，特别是针对用于压力、质量和化学测量的表面声波(SAW)换能器和体声波(BAW)换能器。与用于测量电荷、电压和频率相关机制的其他器件相比，压电换能器已经被证明提供优异的分辨率、温度稳定性、灵敏度以及低成本集成特性。

用于这些应用的材料在组分、形式和结构方面变化，但是重要地是目的在于具有高于支柱性PZT系统的尽可能高的压电工作温度。这些材料包括诸如石英、铌酸锂和磷酸镓单晶的单晶、诸如氮化铝的薄膜以及诸如钛酸铋的多晶材料，所述材料由于它们的处理成本低并且易于集成到常见电气器件中而最有可能用在工业应用中。这些材料由铋基陶瓷主导并且包括类似于PZT中的机理的混合相系统，所述PZT提供了其优异的压电性能。