[发明专利]具有至少一个应力释放端部的压电/电致伸缩膜元件

说明书

本发明涉及一种单压电晶片(uni—morph)、双压电晶片(bi—morph)或其它类型的压电与/或电致伸缩膜元件，它以弯曲或挠曲产生或检测位移，它可以用作激励器，滤波器，显示装置，变量器，麦克风，发声体(例如扬声器)，各种谐振器，振荡器或振动器，识别器，陀螺仪，传感器以及其它元件和装置。本发明还涉及一种方法，用来生产这种压电或电致伸缩膜元件。此处所用“元件”一词指的是一种能够变换或转换电能成为机械能即机械位移。变形或振动的元件，也指转换机械能成电能的元件。

近年来，在光学以及精密定位或机械加工领域中，不断增加着对这类元件的需要，这些元件的位移可被控制，用于在几分之一微米(μm)的数量级上调节或控制光路长度或装置的构件和组件的位置，并用于检测由电变化引起物体的极小的位移。为满足这些要求，已经研制了压电与/或电致伸缩膜元件(以后称为P/E膜元件)，用作激励器或传感器，这些元件包括压电材料，例如铁电体材料，并利用反的或逆的压电效应，当对其施加电场时产生机械位移，或利用压电效应，当施加压力或机械应力时产生电场。在这些元件当中，例如常规的单变体型P/E膜元件已经满意地用于扬声器。

已经提出了用于不同目的的陶瓷P/E膜元件，如JP—A—3—128681(即待审的美国专利申请序列号NOS.07/550,977，07/860,128。08/102,960。08/384,469。08/392,083，以及08/452,092)以及JP—A—5—49270(即美国专利号NO.5,210,455和美国专利申请序列号NO.08/013,046)，它们由本发明的受让者提出申请。所披露的元件的一个例子具有陶瓷基片，基片具有至少一个窗口，并和闭合窗口的薄膜形成一个整体，从而提供至少一个薄壁的膜片部或振动部，在陶瓷基片的每个膜片部的外表面上，形成一个压电/电致伸缩单元(以后称“P/E单元”，它是一个完整的迭层结构，包括下电极，压电/电致伸缩层(以后称P/E层)和上电极。P/E单元由合适的膜形成方法或对陶瓷基片的相应的膜部进行处理形成。这样形成的P/E膜相当小并且不贵，而且可用作具有高可靠性的机电传感器。此外，这种元件具有高的操作响应并通过加上低电压便提供相当大的位移，从而产生相当大的力。这样，上述元件适用于作为激励器，滤波器，显示装置，传感器或其它元件或装置。

为了生产上述的P/E膜元件，每个P/E单元的下电极。P/E层和上电极通过合适的膜形成方法按这一顺序层迭在陶瓷基片的膜片部，并据需要进行热处理(烧或烧结)，从而P/E单元整体地形成在膜片部。本发明人的进一步研究指示了，这种元件的压电/电致伸缩特性由于在形成P/E单元期间，更具体地说在形成P/E层期间的热处理(烧或烧结)而变差。

具体地说，P/E层在P/E层的热处理期间和陶瓷基片的膜部接触的P/E层或P/E单元由于烧结收缩而受到应力，在烧结之后，应力保持在其中这阻止了P/E膜元件具有足够密的烧结结构。在这种情况下，P/E膜元件不会是现所需的或所期望达到的压电/电致伸缩特性。在烧结之后，P/E层的剩余应力不希望地使压电/电致伸缩特性变差，具体地说，在激励P/E单元时产生的膜部的位移会减少。

为了生产用于显示装置的激励器，例如通过陶瓷基片以合适的图形形成几个窗口，上述的P/E单元被形成在封闭相应窗口的各个薄壁膜部。在这种情况下，膜部的位移量由于在烧结之后P/E层中剩余的应力会大大减少，尤其是当两个或多个相邻的P/E单元被同时激励时，比单个的P/E单元被激励时的位量相比减少相当多。这就是说，当相邻的P/E单元被同时激励时，例如，承载两个P/E单元中的一个的膜部的位移量会干扰承载另一个P/E单元的膜部的位移量，结果使这些膜部的位移量减少，当相邻P/E单元之间的间隔减少以满足近来需要每单位面积具有大量的P/E单元的要求时，这种膜部位移量的减少是严重的。

因此，本发明的第一个目的在于，提供一种压电/电致伸缩膜元件，其中每个压电/电致伸缩单元通过膜形成方法在陶瓷基片的薄壁膜部的外表面形成，并且这种压电/电致伸缩膜元件可以在施加相当低的电压时，有效地将在P/E单元中产生的应力转换成大的位移量，并且当两个或多个P/E单元形成在各自的膜部并被同时激励时不会使位移量相当地减少。

本发明的第二个目的在于，提供一种用于生产呈现上述优异特性的压电/电致伸缩元件的方法。