專利名稱：一種應(yīng)用無鉛鐵電材料的片式微制冷器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子元器件領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用無鉛鐵電材料的片式微制冷器。
背景技術(shù)：
近十幾年高性能便攜電子設(shè)備的飛速增長推動電子技術(shù)向小型化、集成化方向迅速發(fā)展，三維高密度封裝已經(jīng)成為業(yè)界的主流技術(shù)。電子設(shè)備中越來越多元件被集成到越來越小的封閉空間以內(nèi)，設(shè)備工作時大量元器件同時放熱會造成局部高溫，引發(fā)各種失效， 使系統(tǒng)可靠性大大降低，因此系統(tǒng)的整體散熱設(shè)計與高效制冷器件的應(yīng)用已經(jīng)成為電子系統(tǒng)可靠運行 的關(guān)鍵。目前普遍采用的冷卻風扇體積大不利于系統(tǒng)小型化，循環(huán)冷卻系統(tǒng)又容易發(fā)生泄露，因此高效固態(tài)制冷技術(shù)成為人們研究的熱點之一，其中鐵磁相變制冷和鐵電相變制冷是兩種很有前途的固態(tài)制冷技術(shù)。鐵磁相變制冷效率高制冷量大，已被應(yīng)用于低溫制冷領(lǐng)域，但該方法需要高磁場，很難應(yīng)用于小型電子設(shè)備；而鐵電相變制冷所需的高電場可以很容易的在低電壓條件下通過降低鐵電介質(zhì)層厚度來實現(xiàn)，因此對于各種微電子設(shè)備與微機電系統(tǒng)而言，基于鐵電相變的微制冷器件是最理想的方案。鐵電制冷利用電熱效應(yīng)進行工作，已有近80年的研究歷史，國內(nèi)外研究者對不同材料體系所進行的大量研究工作，主要集中在通過改變材料體系與成份來獲得高電熱系數(shù)，但具有較高的電熱系數(shù)都是鉛基鐵電陶瓷，無鉛鐵電陶瓷的電熱系數(shù)比鉛基鐵電陶瓷低一個數(shù)量級。雖然鉛基鐵電材料的電熱效應(yīng)更好，但是含鉛材料會造成嚴重的環(huán)境污染和人體中毒問題，無鉛化已成為各類電子產(chǎn)品需要嚴格遵守的準則。2006年，歐洲就已經(jīng)強制實施了《關(guān)于在電子電氣設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令》的法規(guī)，含鉛鐵電陶瓷電子元件也在被限制使用的范圍以內(nèi)，不能采用各類鉛基鐵電陶瓷制造微型制冷器件。因此，如何解決無鉛鐵電材料電熱系數(shù)低的問題，開發(fā)出具有實際應(yīng)用前景的無鉛鐵電微制冷器稱為目前電子行業(yè)迫切的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種應(yīng)用無鉛鐵電材料的片式微制冷器。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種應(yīng)用無鉛鐵電材料的片式微制冷器，其包括鐵電介質(zhì)層與金屬電極層交替構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，所述鐵電介質(zhì)層采用無鉛鐵電材料；所述金屬電極層上施加有用于控制所述鐵電介質(zhì)層的工作電場交替變化的周期方波信號，使鐵電介質(zhì)層工作電場的變化高于 100kV/cm。本發(fā)明所述的片式微制冷器，其中，所述無鉛鐵電材料為電阻率高于 IX IO13 Ω · cm，擊穿場強高于lOOkV/cm的無鉛鐵電陶瓷厚膜。本發(fā)明所述的片式微制冷器，其中，所述金屬電極層包括鈀銀合金電極層、銀電極層、鎳電極層或銅電極層。 本發(fā)明所述的片式微制冷器，其中，每層所述鐵電介質(zhì)層的厚度為0.5 20微米， 所述鐵電介質(zhì)層總層數(shù)為20 500層。本發(fā)明所述的片式微制冷器，其中，所述金屬電極層的厚度為0. 5 5微米。本發(fā)明所述的片式微制冷器，其中，所述周期方波信號電壓最低值為0V，電壓最高值為5 500V，周期為2 2000秒。本發(fā)明所述的片式微制冷器，其中，所述周期方波信號的上升沿速度為0. 1 200V/S、下降沿速度為0. 1 200V/S，且上升沿速度小于等于下降沿速度。本發(fā)明所述的片式微制冷器，其中，所述鐵電介質(zhì)層及所述金屬電極層采用流延工藝制備成所述多層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述的片式微制冷器，其中，所述無鉛鐵電材料主要成分為鈦酸鋇。本發(fā)明所述的片式微制冷器，其中，所述無鉛鐵電材料主要成分為(1-x) Na0 5Bitl 5TiO3-XBaTiO3,其中 χ = 0 0. 2。本發(fā)明的片式微制冷器采用流延工藝制備多層厚膜結(jié)構(gòu)，通過超高電場條件實現(xiàn)了高電熱效應(yīng)，并具有以下有益效果1)環(huán)保采用無鉛鐵電陶瓷為工作介質(zhì)，符合環(huán)保要求；2)高效實際制冷量可達2J/g以上；3)結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)工藝成熟、成本低廉。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中圖1為本發(fā)明較佳實施例的片式微制冷器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明較佳實施例的加于片式微制冷器的周期方波信號示意圖一；圖3是本發(fā)明較佳實施例的片式微制冷器的實測吸熱量示意圖一；圖4是本發(fā)明較佳實施例的加于片式微制冷器的周期方波信號示意圖二 ；圖5是本發(fā)明較佳實施例的片式微制冷器的實測吸熱量示意圖二。
具體實施例方式下面結(jié)合圖示，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作詳細介紹。本發(fā)明實施例提供的應(yīng)用無鉛鐵電材料的片式微制冷器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括由鐵電介質(zhì)層1及金屬電極層2交替構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，其中鐵電介質(zhì)層1由無鉛鐵電材料構(gòu)成。在金屬電極層2上施加有用于控制鐵電介質(zhì)層1的工作電場交替變化的周期方波信號(未圖示)，使鐵電介質(zhì)層1工作電場的變化高于lOOkV/cm。依據(jù)熱力學理論，要獲得高鐵電制冷效果，大電熱系數(shù)與強電場是兩個關(guān)鍵條件。 此前的大量研究顯示，無鉛鐵電材料的電熱系數(shù)非常低，難以產(chǎn)生顯著的制冷效果，無法實用化。本實施例的片式微制冷器以無鉛鐵電材料作為工作介質(zhì)，由鐵電介質(zhì)層與金屬電極層交疊構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，并采用周期方波信號進行驅(qū)動，使鐵電介質(zhì)層工作電場超過 100kV/cm,以超高電場誘導(dǎo)鐵電材料固態(tài)相變，獲得高鐵電制冷效果。這樣就在很大程度上避開了無鉛鐵電材料的弱點，使應(yīng)用無鉛鐵電材料的微制冷器也可以達到高制冷效果。本實施例中，無鉛鐵電材料的主要成分為鈦酸鋇(BaTiO3),或主要成分為(l_x)Naa5Bia5TiO3-XBaTiO3) (BNT-BT)無鉛鐵電陶瓷，其中χ = 0 0. 2。優(yōu)選地，無鉛鐵電材料采用電阻率高于IX IO13 Ω · cm，擊穿場強高于lOOkV/cm的無鉛鐵電陶瓷厚膜。
本實施例中，金屬電極層優(yōu)選采用鈀銀合金電極層、銀電極層、鎳電極層或銅電極層中的一種或多種。本實施例中，周期方波信號電壓最低值為0V，電壓最高值為5 500V，周期方波信號的周期為2 2000秒。電壓周期變化所導(dǎo)致鐵電介質(zhì)層工作電場的變化高于IOOkV/ cm。單次電壓變化(一次升壓或降壓)所導(dǎo)致的熱量變化，可以通過電壓變化量和電壓變化速度進行調(diào)控。周期方波信號的上升沿速度優(yōu)選為0. 1 200V/S、下降沿速度為0. 1 200V/S，且上升沿速度小于等于下降沿速度，使得鐵電介質(zhì)層工作電場高于lOOkV/cm，以超高電場誘導(dǎo)鐵電固態(tài)相變，獲得高鐵電制冷效果。本實施例的片式微制冷器可采用流延工藝制備而成，其具有制冷效率高、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)工藝成熟、成本低廉等優(yōu)點。為達到更好的制冷效果，每層鐵電介質(zhì)層的厚度優(yōu)選為0. 5 20微米，鐵電介質(zhì)層的總層數(shù)為20 500層，每層金屬電極層的厚度則優(yōu)選為0.5 5微米。以下舉兩個具體制備及測試實施例進行說明制備及測試實施例1 采用流延工藝制備以BaTiO3*鐵電介質(zhì)層，以鎳為金屬電極層的多層結(jié)構(gòu)的樣品。其中每層鐵電介質(zhì)層厚度1. 5微米，金屬電極層厚度1. 5微米，總鐵電介質(zhì)層層數(shù)為 180 層。采用周期方波信號驅(qū)動樣品進行工作，周期方波信號波形圖如圖2所示，電壓最大值為50V，周期方波信號的電壓最小值為0V，升壓速率25V/s，降壓速率25V/s。利用差熱掃描量熱儀測試樣品的吸放熱量，結(jié)果如圖3所示。制備及測試實施例2 采用流延工藝制備以0. 94Na0.5Bi0.5Ti03-0 . 06BaTi03為鐵電介質(zhì)層，以鈀銀合金為金屬電極層的多層結(jié)構(gòu)的樣品。其中鐵電介質(zhì)層厚度為2微米，金屬電極層厚度1.5微米， 總鐵電介質(zhì)層層數(shù)為100層。采用周期方波信號驅(qū)動樣品進行工作，周期方波信號波形圖如圖4所示，電壓最大值為25V，電壓最小值為0V，升壓速率lV/s，降壓速率25V/s。利用差熱掃描量熱儀測試樣品的吸放熱量，結(jié)果如圖5所示。同樣可以采用流延工藝制備鐵電介質(zhì)層厚度為0. 5微米或20微米，鐵電介質(zhì)層總層數(shù)為20層或500層，金屬電極厚度為0. 5微米或5微米的片式微制冷器樣品，在此不一一列舉出。并產(chǎn)生不同的周期方波信號，采用以上各實施例同樣的方法對各樣品進行測試，其測試效果均可達到預(yù)期目的，解決了無鉛鐵電材料電熱系數(shù)低的問題，利用超高交變電場實現(xiàn)了鐵電制冷。本發(fā)明的片式微制冷器采用流延工藝制備多層厚膜結(jié)構(gòu)，解決了無鉛鐵電材料電熱系數(shù)低的問題，利用超高交變電場實現(xiàn)了鐵電制冷，可廣泛應(yīng)用于微電子、微機電系統(tǒng)中的局部溫度控制。并具有以下有益效果1)環(huán)保采用無鉛鐵電材料為工作介質(zhì)，符合環(huán)保要求；2)高效主要通過超高電場條件實現(xiàn)了高電熱效應(yīng)，實際制冷量可達2J/g以上；3) 結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)工藝成熟、成本低廉。
應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用無鉛鐵電材料的片式微制冷器，其特征在于，包括鐵電介質(zhì)層與金屬電極層交替構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，所述鐵電介質(zhì)層采用無鉛鐵電材料；所述金屬電極層上施加有 用于控制所述鐵電介質(zhì)層的工作電場交替變化的周期方波信號，使鐵電介質(zhì)層工作電場的變化高于100kV/cm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式微制冷器，其特征在于，所述無鉛鐵電材料為電阻率高于1Χ1013Ω · cm，擊穿場強高于lOOkV/cm的無鉛鐵電陶瓷厚膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式微制冷器，其特征在于，所述金屬電極層包括鈀銀合金電極層、銀電極層、鎳電極層或銅電極層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式微制冷器，其特征在于，每層所述鐵電介質(zhì)層的厚度為 0. 5 20微米，所述鐵電介質(zhì)層總層數(shù)為20 500層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式微制冷器，其特征在于，所述金屬電極層的厚度為0.5 5微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式微制冷器，其特征在于，所述周期方波信號電壓最低值為0V，電壓最高值為5 500V，周期為2 2000秒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式微制冷器，其特征在于，所述周期方波信號的上升沿速度為0.1 200V/S、下降沿速度為0. 1 200V/S，且上升沿速度小于等于下降沿速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式微制冷器，其特征在于，所述鐵電介質(zhì)層及所述金屬電極層采用流延工藝制備成所述多層結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式微制冷器，其特征在于，所述無鉛鐵電材料主要成分為鈦酸鋇。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式微制冷器，其特征在于，所述無鉛鐵電材料主要成分為 (1-x) Naa 5Bia5Ti03-xBaTi03，其中 χ = 0 0. 2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用無鉛鐵電材料的片式微制冷器，其包括鐵電介質(zhì)層與金屬電極層交替構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，所述鐵電介質(zhì)層采用無鉛鐵電材料；所述金屬電極層上施加有用于控制所述鐵電介質(zhì)層的工作電場交替變化的周期方波信號，使鐵電介質(zhì)層工作電場的變化高于100kV/cm。本發(fā)明的片式微制冷器采用流延工藝制備多層厚膜結(jié)構(gòu)，通過超高電場條件實現(xiàn)了高電熱效應(yīng)，并具有以下有益效果1)環(huán)保采用無鉛鐵電陶瓷為工作介質(zhì)，符合環(huán)保要求；2)高效實際制冷量可達2J/g以上；3)結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)工藝成熟、成本低廉。
文檔編號F25B21/02GK102192614SQ201010146958
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者白洋, 石三強, 鄭廣平 申請人:香港理工大學