壓電陶瓷變壓器在小型電子設(shè)備中應(yīng)用前景廣闊

壓電陶瓷是電子陶瓷器件中一個(gè)重要的材料，它具有力(或形變)作用下產(chǎn)生電荷(或電壓)的正壓電效應(yīng)和電作用下產(chǎn)生力(形變)的逆壓電效應(yīng)功能，從而可進(jìn)行電能-機(jī)械能和機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷的上述功能已被制備成傳感器、換能器、驅(qū)動(dòng)器等，廣泛地應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)診斷、超聲焊接等領(lǐng)域，成為生產(chǎn)和生活中重要的功能材料。利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可以制作成高性能的電源變壓器。

　　多層片式壓電陶瓷變壓器是近年來迅速發(fā)展起來的新一代小型高性能電源變壓器。與電磁式變壓器相比，它在小尺寸、低功率等應(yīng)用場(chǎng)合下有著突出的優(yōu)點(diǎn)，并已在實(shí)用中獲得了很好的效果。隨著通信和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，多層片式壓電陶瓷變壓器在小型電子設(shè)備中，將展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

市場(chǎng)前景看好

　　壓電陶瓷升壓變壓器在液晶顯示、離子發(fā)生器等產(chǎn)品中已獲得了應(yīng)用。最近美國(guó)正在開發(fā)汽車安全保護(hù)氣囊用的壓電陶瓷變壓器。

　　小型靈巧的壓電陶瓷降壓變壓器在計(jì)算機(jī)、手機(jī)、攝像機(jī)等的AC-DC適配器中有著廣闊的應(yīng)用前景，可以減小AC-DC適配器的體積，甚至可以去掉外接適配器，直接進(jìn)入電子設(shè)備中。

　　通信電源是開關(guān)電源所有應(yīng)用增長(zhǎng)速度最快的一部分，即使在美國(guó)，工業(yè)發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)緩慢的情況下，開關(guān)電源在通信領(lǐng)域的年增長(zhǎng)率也超過15%。在美國(guó)僅AC-DC開關(guān)電源和DC-DC開關(guān)電源就從1996年的約2億美元發(fā)展到了2001年的20億美元。在世界范圍內(nèi)，其產(chǎn)值是巨大的，因而是一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)。所以，小尺寸、高功率密度的壓電陶瓷變壓器有望在開關(guān)變壓器中獲得部分的市場(chǎng)份額。

　　我國(guó)在壓電陶瓷材料及應(yīng)用技術(shù)研究和開發(fā)方面已有長(zhǎng)期的積累，并已掌握了壓電陶瓷粉體的低溫?zé)Y(jié)和多層片式壓電陶瓷器件的制備技術(shù)。國(guó)內(nèi)已有多個(gè)重要的大學(xué)、研究所和企業(yè)從事壓電陶瓷變壓器的研究和開發(fā)工作。可以預(yù)料，隨著我國(guó)加入WTO，我國(guó)的產(chǎn)品市場(chǎng)將進(jìn)一步與世界接軌，國(guó)際上大公司全球化采購電子元器件的趨勢(shì)必將給我國(guó)帶來新的發(fā)展機(jī)遇，因此，我國(guó)壓電陶瓷變壓器研究單位、生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)攜手努力，獨(dú)立自主地研發(fā)出低成本、高性能壓電陶瓷變壓器，共同推動(dòng)我國(guó)壓電陶瓷產(chǎn)品在新的電子設(shè)備中的開發(fā)應(yīng)用，使我國(guó)新一代電源變壓器能在國(guó)際市場(chǎng)上擁有一席之地。

多層片式壓電陶瓷變壓器成為發(fā)展熱點(diǎn)

　　上世紀(jì)90年代以前，壓電陶瓷變壓器的發(fā)展比較緩慢，主要原因是當(dāng)時(shí)對(duì)小功率、小尺寸的電源變壓器的市場(chǎng)需求量小，市場(chǎng)上可供選擇的壓電陶瓷變壓器產(chǎn)品少，此外，電子設(shè)備設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)商對(duì)壓電陶瓷變壓器了解甚少。90年代以后，信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，全球每年生產(chǎn)出數(shù)以億計(jì)的電子設(shè)備，并且其種類和產(chǎn)品的數(shù)量逐年增加。在這些電子設(shè)備中，大量使用貼片式的多層片式電容、電感、電阻和高度集成的微電子器件。因此，人們期待新一代小功率、小尺寸的電源變壓器問世，使電子設(shè)備能進(jìn)一步輕質(zhì)化、小型化。

　　專利數(shù)量逐年上升

　　壓電陶瓷變壓器應(yīng)運(yùn)而生，它除了在器件尺寸和性能上有著優(yōu)勢(shì)外，另一個(gè)重要原因是多層片式電容器制備技術(shù)在上世紀(jì)90年代后被成功地移植到壓電陶瓷變壓器，它克服了早期用有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)多層陶瓷變壓器，性能低、性能不穩(wěn)定、無法規(guī)模生產(chǎn)壓電變壓器等不足，使低成本、高性能的壓電陶瓷變壓器的實(shí)用化成為可能。

　　多層片式陶瓷結(jié)構(gòu)，它是由N層陶瓷和內(nèi)電極組成，每層陶瓷的極化方向相反，各電極間采用叉指方式交替地連接。當(dāng)多層壓電陶瓷與單片壓電陶瓷片的總厚度相同時(shí)，多層壓電陶瓷的等效壓電系數(shù)d33比單片壓電陶瓷提高了N倍，電容提高了N2倍，電壓下降了N倍(陶瓷承受相同的電場(chǎng))。所以，疊層結(jié)構(gòu)的多層陶瓷可以容易地改變壓電系數(shù)、電容和電壓的大小。

　　將多層陶瓷內(nèi)電極結(jié)構(gòu)用于壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動(dòng)和發(fā)電部分，可以通過調(diào)整陶瓷的層數(shù)有效地改變變壓器的輸入阻抗和輸出阻抗，從而改變輸入和輸出電壓的變比和電流的變比。與單片壓電陶瓷變壓器相比，多層片式壓電陶瓷變壓器更易獲得高的升壓比和大的輸出功率(低的降壓比和大的輸出電流)和負(fù)荷阻抗匹配，在器件性能提高的同時(shí)，體積明顯減小。多層片式壓電陶瓷變壓器的專利每年急劇上升。

　　制備多層片式壓電陶瓷變壓器的主要技術(shù)難點(diǎn)是獲得能低溫?zé)Y(jié)的高性能壓電陶瓷，因?yàn)閴弘娞沾赏ǔＪ窃?250℃-1300℃燒結(jié)的，它與金屬內(nèi)電極共燒時(shí)需采用貴金屬白金或含貴金屬鈀含量高的銀-鈀內(nèi)電極料漿，所以，只有采用低溫?zé)Y(jié)的壓電變壓器陶瓷材料才能采用賤金屬作為內(nèi)電極，從而大幅度地降低多層片式壓電陶瓷變壓器的制作成本。

　　日本是世界上生產(chǎn)高檔電子元器件最多的國(guó)家，在電子元器件研究和開發(fā)的投入也最大。目前，日本幾乎所有大的公司如NEC、Epson、Tokin、Mitsbishi、本田(Hodan)、村田制作所(Murata)、Panasonic、TOTO、京陶(Kyocera)等公司以及東京工業(yè)大學(xué)和山形大學(xué)研究機(jī)構(gòu)都投入到壓電陶瓷變壓器的研究和開發(fā)中。美國(guó)主要有賓州州立大學(xué)著名的Smart Materials實(shí)驗(yàn)室、德州儀器公司、Motolora公司，歐洲有德國(guó)西門子公司、荷蘭的Philips公司、法國(guó)的阿爾卡特公司、波蘭陶瓷研究所以及以色列、韓國(guó)的Tronix公司和我國(guó)臺(tái)灣的多家公司等都開展了壓電陶瓷變壓器研究和開發(fā)。

　　應(yīng)用以升壓為主

　　從目前壓電變壓器應(yīng)用的狀況看，主要是以升壓為主的多層片式壓電陶瓷變壓器用于液晶顯示器、靜電除塵器、小功率激光管和高壓電源等。日本NEC公司用多層片式壓電陶瓷變壓器用于手提電腦的液晶顯示屏。

　　壓電陶瓷降壓變壓器還處于研發(fā)階段。日本的Tokin制備了可用于AC-DC適配器的、工作頻率為180kHz、功率密度遠(yuǎn)優(yōu)于磁性變壓器的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器，NEC采用壓電d31振動(dòng)模式獲得了140kHz的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器。它們都到了實(shí)用化的階段，目前正在我國(guó)臺(tái)灣組織生產(chǎn)。NEC公司制作的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器，器件尺寸為14mm×14mm×6mm，工作頻率為140kHz，20W輸出時(shí)的功率轉(zhuǎn)換效率為97%。這種變壓器與電磁式變壓器相比，無二次諧振波，因而不需要在AC-DC適配器中加上高次濾波電路。

　　NEC還開展了用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器研究，該變壓器利用厚度振動(dòng)模式獲得了工作頻率為2MHz的降壓變壓器，20mm×20mm×2.2mm的功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98%，功率密度35W/cc，比電磁式變壓器的功率密度20W/cc高，因此，日本NEC、ToKin、Mitschbishi等公司自1992年就聯(lián)合開展研究，雖然至今在國(guó)際刊物上發(fā)表的研究結(jié)果很少，但一直在加緊開發(fā)該變壓器。這種工作模式的降壓變壓器需用各向異性大的壓電陶瓷材料。深圳富康電子陶瓷公司最近已成功獲得了低溫(950℃)燒結(jié)的各向異性大的壓電變壓器陶瓷材料。

　　日本富士通最近利用LiNbO3單晶制備了15mm×15mm×0.5mm的小型壓電變壓器，工作頻率為4MHz，輸出功率達(dá)到了30W～40W。目前主要解決的是半導(dǎo)體電子元器件的整流電路的問題，一旦獲得解決，將在新一代的開關(guān)電源中獲得廣泛的應(yīng)用。

　　丹麥Noliac公司報(bào)道的環(huán)狀壓電陶瓷變壓器功率密度為4/cm3，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98%，是至今報(bào)道的功率密度的最高值。新加坡南洋理工大學(xué)成功獲得多路輸出壓電降壓變壓器，在溫度升高20℃，能量轉(zhuǎn)換效率為90%時(shí)，最大的輸出功率達(dá)到了169.8W(一路輸出電壓為40.3W，另一路為129.5W)，是至今所見壓電變壓器最大的輸出功率。

　　德國(guó)最近報(bào)道了利用壓電陶瓷行波制備了壓電變壓器，其功率密度比目前使用的壓電駐波制備的變壓器提高了40%。

　　我國(guó)在低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷變壓器材料和多層片式壓電陶瓷變壓器進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究和開發(fā)。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所獲得"十五"863項(xiàng)目的資助，與國(guó)內(nèi)的有關(guān)單位合作，研制和開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多層片式壓電陶瓷變壓器，性能指標(biāo)達(dá)到和超過國(guó)際上相關(guān)器件的水平，為我國(guó)在該器件的研究和開發(fā)提供了技術(shù)保證。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 尺寸小 功率低 無污染

壓電陶瓷變壓器應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯

　　壓電陶瓷變壓器的工作原理是利用壓電陶瓷的正和逆壓電效應(yīng)，它通過對(duì)壓電陶瓷體的電極和極化方向取向進(jìn)行特點(diǎn)的設(shè)計(jì)，利用逆壓電效應(yīng)使輸入端相連接的壓電陶瓷在電壓作用下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，再通過正壓電效應(yīng)使輸出端連接的壓電陶瓷產(chǎn)生電壓。當(dāng)輸入和輸出端的阻抗不相等時(shí)，導(dǎo)致它們的電壓和電流也不相等，從而實(shí)現(xiàn)輸入和輸出端之間的電壓和電流大小變換的功能。

　　第一個(gè)壓電陶瓷變壓器是由美國(guó)的Rosen在1956年提出的，它具有升高輸出電壓的功能。變壓器的輸入電壓端稱為驅(qū)動(dòng)部分，輸出電壓端稱為發(fā)電部分。驅(qū)動(dòng)和發(fā)電部分的極化方向不同，前者沿著陶瓷單片厚度方向，后者沿著陶瓷單片的長(zhǎng)度方向。陶瓷上的銀電極分別與輸入和輸出電壓相連接。當(dāng)壓電陶瓷在驅(qū)動(dòng)部分加上與壓電陶瓷橫向(長(zhǎng)度方向)諧振頻率相同的交流電壓時(shí)，因壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷在長(zhǎng)度方向產(chǎn)生機(jī)械共振，又因正壓電效應(yīng)使輸入的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

　　由于壓電陶瓷發(fā)電部分的長(zhǎng)度大于驅(qū)動(dòng)部分的厚度，輸入阻抗遠(yuǎn)大于輸出阻抗，因而輸出電壓大于輸入電壓，成為升壓變壓器。這種結(jié)構(gòu)的變壓器在數(shù)伏或數(shù)十伏的輸入電壓，可以獲得數(shù)千伏的電壓。

　　壓電陶瓷變壓器與電磁式變壓器相比，具有以下一些特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)方面很簡(jiǎn)單，只有壓電陶瓷片，無電磁式變壓器的電繞線。外觀尺寸方面，器件幾何形狀呈扁平結(jié)構(gòu)，尺寸小，可根據(jù)要求不同振動(dòng)模式的變壓器，如長(zhǎng)度或?qū)挾日駝?dòng)的長(zhǎng)方體壓電變壓器，徑向振動(dòng)的圓柱體壓電變壓器。

　　環(huán)境方面，器件不可燃，不怕短路，對(duì)外界無電磁污染。工作頻率方面，工作在壓電陶瓷體的諧振頻率或高階振動(dòng)頻率，它與壓電變壓器的外形尺寸有關(guān)。

　　負(fù)載特性方面，當(dāng)負(fù)載阻抗發(fā)生變化時(shí)，它的諧振頻率將發(fā)生偏移，因此，壓電陶瓷變壓器的電壓和電流變比、功率轉(zhuǎn)換效率等隨負(fù)載阻抗而發(fā)生變化。

　　在低于陶瓷體諧振頻率時(shí)，壓電變壓器表現(xiàn)為電容特性，在高于諧振頻率以上表現(xiàn)為電感特性，只有在諧振頻率附近才為電阻特性(它對(duì)應(yīng)著壓電陶瓷的機(jī)械共振)。所以，壓電陶瓷變壓器的工作頻率受諧振頻率的限制，具有一定的工作帶寬。

　　電磁式變壓器無工作帶寬的限制，頻率范圍寬，但是，由于電磁式變壓器是由繞線和磁性材料組成，主要表現(xiàn)為電感特性，所以，在低頻時(shí)輸入和輸出隨頻率降低而下降，為了制作低頻小功率的電磁式變壓器，必須增加繞線的電感，因而難以實(shí)現(xiàn)器件的小型化。

　　壓電陶瓷變壓器尺寸基本決定了器件的輸出功率。壓電陶瓷的功率密度為15W/cm3～20W/cm3。通常，制備輸出功率在10W以下的壓電變壓器比較適合，30W以上的相對(duì)比較少。

　　輸入電壓根據(jù)應(yīng)用需求的輸入電壓大小確定器件的結(jié)構(gòu)形式和機(jī)械振動(dòng)模式。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮壓電陶瓷在極化方向相反的高電場(chǎng)作用下易使壓電性能消失，因此，壓電變壓器必須考慮其安全的工作狀態(tài)。輸出電壓與輸入電壓相同，應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用要求，確定壓電陶瓷變壓器的輸入電壓。

　　壓電陶瓷變壓器是在諧振狀態(tài)下工作，該工作頻率主要由器件的尺寸決定。所以，變壓器的結(jié)構(gòu)和尺寸由實(shí)際需要的工作頻率決定。

　　由于壓電變壓器性能的頻率特性與負(fù)載有關(guān)，需根據(jù)應(yīng)用要求的負(fù)載阻抗確定變壓器的輸出端的挾持電容，使變壓器有高的功率轉(zhuǎn)換效率。

　　功率轉(zhuǎn)換效率是指輸出功率和輸入功率之比。理想的壓電陶瓷變壓器的功率轉(zhuǎn)換效率可以接近100%。

　　壓電陶瓷變壓器小型薄片型結(jié)構(gòu)是其主要的特點(diǎn)，因此，根據(jù)應(yīng)用要求確定器件尺寸是其關(guān)鍵。

　　壓電陶瓷變壓器因在諧振狀態(tài)下產(chǎn)生發(fā)熱，通常確定壓電陶瓷的工作溫度須低于60℃。

　　壓電效應(yīng)是指具有極性的陶瓷材料在外力作用下，它的兩個(gè)特定電極表面產(chǎn)生電荷。這種效應(yīng)可以用壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)來表示。通常極化方向能隨外電場(chǎng)方向改變的鐵電材料具有大的壓電和機(jī)械耦合系數(shù)。壓電陶瓷是一種經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后的多晶材料，它是由許多鐵電性微小晶粒組成。通過對(duì)燒結(jié)的陶瓷進(jìn)行切割和磨片，得到所需尺寸的陶瓷片，在陶瓷的兩個(gè)表面上設(shè)置電極，在適當(dāng)?shù)臏囟认聵O化后，獲得具有壓電性的壓電陶瓷。不同幾何形狀的壓電陶瓷有著不同的振動(dòng)模式，它可以用不同的壓電和機(jī)電耦合系數(shù)表示。對(duì)于壓電陶瓷變壓器用的壓電陶瓷，應(yīng)具有高的介電系數(shù)、壓電系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)以及高的居里溫度、低的介電和機(jī)電損耗。

　　壓電陶瓷變壓器是在自由振動(dòng)狀態(tài)下工作，因此，它比壓電陶瓷換能器中在預(yù)應(yīng)力下工作的壓電陶瓷具有更高的機(jī)械強(qiáng)度。