專利名稱：一種壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變壓器，特別涉及一種應(yīng)用于小功率電力電子的信號(hào)傳輸?shù)入娮?工業(yè)領(lǐng)域的壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器及制備方法。
背景技術(shù)：
自從20世紀(jì)八十年代以來，壓電陶瓷變壓器的研究與應(yīng)用取得了很大的突破，因 為壓電變壓器相對(duì)于電磁變壓器具有以下四個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)高升壓、高能量密度和片型化 的小尺寸。壓電變壓器是一種從材料結(jié)構(gòu)到工作原理都不同于傳統(tǒng)概念的變壓器，它是用 鐵電材料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)、高壓極化等一系列工藝制備而成，這種變壓器具有片型化體積小、重 量輕、不會(huì)擊穿、不怕短路、升壓比高等顯著特點(diǎn)，用壓電變壓器制作的小型電源不僅克服 了傳統(tǒng)變壓器工作在高壓狀態(tài)下所存在的問題，而且能很好地適應(yīng)電子設(shè)備小型、輕型化、 薄型化的需要。目前的壓電變壓器基本是無隔離的三端自耦變壓器，即輸入與輸出電壓共地，如 圖1所示的Rosen型升壓壓電變壓器，圖2所示是沿厚度方向振動(dòng)的降壓型壓電變壓器。其 缺點(diǎn)在于目前的三端自耦型的變壓器輸入與輸出共地，沒有輸入與輸出端的電壓隔離功 能，則在工作環(huán)境較為復(fù)雜的傳輸過程中很不安全，不適用于信號(hào)隔離得領(lǐng)域；目前的壓電 變壓器多為長(zhǎng)度或幅度方向振動(dòng)的變壓器，比不上徑向振動(dòng)的變壓器的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，在工業(yè)測(cè)試系統(tǒng)、醫(yī)療電子設(shè)備、電力設(shè)備等許多信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信 號(hào)隔離是安全操作的要求，如輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的隔離。特別是，在復(fù)雜的外界環(huán)境工 作的變送器需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行隔離，達(dá)到信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)換后，確保操作人員的 安全與現(xiàn)場(chǎng)的正常運(yùn)行。目前的隔離技術(shù)基本多是應(yīng)用磁電隔離技術(shù)或光電隔離。磁電隔離變壓器，基本 都是使用線繞變壓器，需要用兩個(gè)線繞磁芯變壓器實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的隔離，其存在的缺點(diǎn) 有(1)兩個(gè)磁芯變壓器組合起來體積較大，不符合片型化發(fā)展的要求；(2)變壓器纏線工 藝，變壓器的繞組多，變壓器制作復(fù)雜成本較高；(3)線繞磁芯變壓器容易擊穿，繞線間容 易短路，隔離效果不好；(4)用了兩個(gè)線繞變壓器進(jìn)行隔離使其整個(gè)信號(hào)的傳輸效率下降 了。而光耦則壽命較短，且容易光衰，并成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒如此，本發(fā)明的目的是提供一種壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器，該信號(hào)變 壓器具有電壓隔離的功能，同時(shí)轉(zhuǎn)換效率更高；而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積更小。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器，包括壓 電陶瓷胚體、輸入部分、輸出部分，其特征在于還包括隔離部分；所述壓電陶瓷胚體為圓 片型，所述的隔離部分從胚體的其中一個(gè)圓面沿厚度方向延伸至另一個(gè)圓面，將壓電陶瓷 胚體分為所述的輸入和輸出兩個(gè)部分，形成所述的輸入與輸出部分之間未覆電極的第一隔 離帶；所述的輸入部分和輸出部分在胚體上下兩面設(shè)有被覆電極。從而實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的電隔離效果。 作為上述方法的改進(jìn)，還包括反饋部分；所述的反饋部分位于輸入部分的其中一 個(gè)電極面中，反饋部分設(shè)有被覆電極，該輸入部分的電極面與反饋部分之間設(shè)有未覆電極 的第二隔離帶。在輸入電極包括有反饋部分，從而實(shí)現(xiàn)自激電路及輸入與反饋部分之間的 隔罔。作為上述方法的進(jìn)一步改進(jìn)，在未覆電極的輸入部分與輸出部分之間的第一隔離 帶、以及輸入電極面與反饋部分之間的第二隔離帶表面被覆有高分子絕緣材料，隔離帶上 用高分子等高絕緣材料將其與空氣隔離，達(dá)到更好的隔離效果。所述輸入部分電極、輸出部分電極、反饋部分的電極根據(jù)輸入輸出的要求來設(shè)置 各自的形狀和大??；所述第一、第二隔離帶根據(jù)輸入部分、輸出部分、反饋部分之間的隔離 要求來設(shè)置其形狀和大小。所述的第一隔離帶部分沿圓片的直徑對(duì)稱分布并沿厚度方向延伸。所述圓片型壓 電陶瓷胚體的直徑為6-25mm，且直徑與厚度之比> 10。本發(fā)明還提供一種用于上述壓電陶瓷隔離信號(hào)變壓器的制造方法，包括以下步 驟(1)被覆上電極將所述的圓片型壓電陶瓷胚體清理后被覆上電極，所述的上電 極包括三個(gè)區(qū)域，分別為所述的輸入部分的上電極、所述的輸出部分的上電極和所述反饋 部分的電極；所述的輸入和輸出部分之間、所述的輸入和反饋部分之間的隔離帶，不覆電 極；(2)被覆下電極將所述的被覆上電極的胚體被覆下電極，所述的下電極包括兩 個(gè)區(qū)域，分別為所述的輸入部分的下電極，所述的輸出部分的下電極；所述的輸入和輸出部 分之間的隔離帶，不覆電極；(3)電極極化將所述的被覆上下電極的進(jìn)行極化處理；所述的電極極化步驟(3)是沿胚體厚度方向進(jìn)行極化的。作為上述方法的改進(jìn)，可以在未覆電極的輸入與輸出部分之間的隔離帶、以及輸 入與反饋部分之間的隔離帶表面被覆高分子絕緣材料，以達(dá)到更好的隔離效果，該高分子 絕緣材料可以是滲漬在隔離帶表面的。采用本發(fā)明的壓電陶瓷隔離信號(hào)變壓器后，由于其較優(yōu)的轉(zhuǎn)換效果，在實(shí)現(xiàn)信號(hào) 轉(zhuǎn)換時(shí)，在小功率的傳輸領(lǐng)域，還可以達(dá)到有源信號(hào)及隔離效果，確保操作人員工作安全和 高壓現(xiàn)場(chǎng)的正常運(yùn)行。同時(shí)該變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作，體積小且薄，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)， 從而成本也隨之下降。另外還可以用壓電變壓器無電磁干擾，具有負(fù)載短路自動(dòng)截止工作 的自保護(hù)特性等諸多優(yōu)點(diǎn)。


圖1為Rosen型無隔離功能的三端自耦壓電變壓器的結(jié)構(gòu)圖；圖2為降壓型無隔離功能的三端自耦壓電變壓器的結(jié)構(gòu)模型；圖3為徑向振動(dòng)模式(二維)的振子，其沿厚度方向極化后，振動(dòng)方向?yàn)榘霃椒较?的示意圖；圖4-1為本發(fā)明具體實(shí)施例的平面俯視圖；圖4-2為側(cè)視圖；圖4-3為輸入部分、輸出部分、反饋部分接線方式示意圖；圖5是實(shí)施例一徑向振動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的圓片各部分所受到的應(yīng)力及其位移大小曲 線圖；圖6是實(shí)施例一在阻抗分析儀上測(cè)得的徑向振動(dòng)時(shí)的諧振頻率；圖7是實(shí)施例一的一個(gè)測(cè)試結(jié)果，在負(fù)載&為IKohm的情況下，其輸入與輸出電 壓的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式圖4為本發(fā)明的具體實(shí)施例，如圖4-1、圖4-2、圖4-3所示，該壓電陶瓷隔離信號(hào) 變壓器為圓片型，主要包括以下幾個(gè)組成部分陶瓷胚體、輸入部分，輸出部分，反饋部分， 隔離部分。隔離部分從沿圓片型胚體的直徑對(duì)稱分布，并從上圓面沿厚度方向延伸至下圓 面，將壓電陶瓷胚體分為輸入和輸出兩個(gè)部分，形成輸入與輸出部分之間未覆電極的第一 隔離帶；第一隔離帶寬度為0. 5 2mm ；第一隔離帶左邊為輸入部分，上表面被覆有輸入部 分的上電極，下表面被覆有輸入部分的下電極；該輸入部分的上表面中還設(shè)置由反饋部分， 反饋部分設(shè)有被覆電極，該輸入部分的上電極面與反饋部分之間也設(shè)有未覆電極的第二隔 離帶；第二隔離帶的寬度為0. 5 1mm。第一隔離帶右邊為輸出部分，輸出部分的上下兩面 電極對(duì)稱。圖4-2為圖4-1的側(cè)視放大示意圖，圖4-2中斜紋填充部分表示輸入部分電極、方 格填充部分表示反饋電極、黑色填充部分表示輸出電極。陶瓷胚體厚度為tl、直徑為Φ1、 電極厚度均為t2、輸入部分上電極投影長(zhǎng)度為L(zhǎng)i、輸入部分下電極投影長(zhǎng)度為L(zhǎng)6、輸入部 分上電極與反饋電極之間的隔離帶投影長(zhǎng)度為L(zhǎng)2、反饋電極投影長(zhǎng)度為L(zhǎng)3、輸入部分與輸 出部分之間的隔離帶投影長(zhǎng)度為L(zhǎng)4、輸出部分上下電極投影長(zhǎng)度均為L(zhǎng)5，上述投影長(zhǎng)度關(guān) 系為:L1+L2+L3 = L5 = L6、L1+L2+L3+L4/2 = L5+L4/2 = L6+L4/2 = Φ 1/2。實(shí)際應(yīng)用時(shí)也可以根據(jù)輸入輸出的要求設(shè)計(jì)其對(duì)應(yīng)電極面大小的比例當(dāng)需要驅(qū) 動(dòng)能力較強(qiáng)時(shí)，可以增大輸入端的電極面積；當(dāng)需要輸出能力較強(qiáng)時(shí)，則增大輸出端的面 積，此時(shí)輸出能力會(huì)上升。在輸入端設(shè)計(jì)一個(gè)反饋電極，可以實(shí)現(xiàn)自激電路效果，反饋電極的位置可以定在 輸入端任意位置選取。但反饋端包括圓心時(shí)，其反饋頻率及相位更接近輸入端。對(duì)應(yīng)于不同的輸入輸出要求，可以將相應(yīng)的電極改變，即圖4中的第一隔離帶可 以往兩邊移動(dòng)，也就是輸入、輸出、反饋的電極位置和面積是可變的。對(duì)于隔離帶的寬度一般根據(jù)隔離的要求而定，一般在空氣中的電擊穿場(chǎng)強(qiáng)為 1000v/mm左右，瓷體電擊穿場(chǎng)強(qiáng)為4000V/mm以上，固化包封后的電擊穿可達(dá)到4000v/mm附 近。但隔離帶不能太寬，太寬了會(huì)減小輸入與輸出電極的面積，而影響其轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明利用壓電材料瓷體本身的絕緣性，起到隔離輸出的安全效果。在壓電變壓 器輸入與輸出電極之間保留適宜的絕緣邊形成隔離帶，從而實(shí)現(xiàn)變壓器輸入與輸出的隔 離，即原邊與副邊的隔離。并且可以根據(jù)隔離的要求設(shè)計(jì)合適的隔離帶的寬度，對(duì)于在更高 隔離要求的復(fù)雜環(huán)境下使用時(shí)，可以將隔離帶設(shè)計(jì)得更寬，達(dá)到高隔離的目的。兩個(gè)電極區(qū) 加同樣的電壓沿厚度方向同時(shí)極化可以得到相應(yīng)的隔離度。
該隔離信號(hào)變壓器設(shè)計(jì)為圓片形是本發(fā)明的關(guān)鍵。壓電變壓器是按照逆壓電效應(yīng) 與壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電-機(jī)-電轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的效果。本發(fā)明的工作原理與普通壓 電變壓器的工作原理基本相同，但本發(fā)明是利用圓片平面擴(kuò)展振動(dòng)的模式，將一維振動(dòng)擴(kuò) 展到二維，特別是當(dāng)圓片的直徑與厚度之比Φ/t ^ 10時(shí)，極化方向同振動(dòng)方向垂直，即實(shí) 現(xiàn)徑向伸縮振動(dòng)。通過設(shè)計(jì)適宜的驅(qū)動(dòng)電極與發(fā)電電極，得到更好的轉(zhuǎn)換效果。本發(fā)明的升壓比 及其轉(zhuǎn)換效率不同于一維振動(dòng)模型的壓電變壓器。對(duì)于Rosen型 壓電變壓器的驅(qū)動(dòng)端是橫場(chǎng)模式，發(fā)電端為縱向模式，因此升壓比和效率與材料的橫向機(jī) 電耦合系數(shù)K31和材料的縱向機(jī)電耦合系數(shù)K33有關(guān)。圓片型壓電變壓器的驅(qū)動(dòng)端是橫 場(chǎng)模式，發(fā)電端也是橫場(chǎng)模式，在僅有徑向振動(dòng)時(shí)，其升壓比及效率與平面機(jī)電耦合系數(shù)Kp 有關(guān)。對(duì)于圓片型變壓器，在其輸入端加入激勵(lì)電壓時(shí)，使其產(chǎn)生徑向振動(dòng)，且是軸對(duì)稱的 徑向伸縮，可見圓片中心為節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力T最大；圓周邊緣為形變最大處。如圖5所示。并且，對(duì)于厚度方向的振動(dòng)所引起的扭曲振動(dòng)，會(huì)降低導(dǎo)線與電極連接的可靠性， 容易使引出的導(dǎo)線從電極上脫落。因此，利用的是徑向振動(dòng)的諧振頻率，對(duì)于本發(fā)明，根據(jù) 設(shè)置的圓片的直徑為5-20mm，其對(duì)應(yīng)的徑向諧振頻率為100_500ΚΗζ，圖6是本發(fā)明的一個(gè) 諧振頻率圖。上述實(shí)施例一壓電陶瓷隔離信號(hào)變壓器的制備包括兩個(gè)大的步驟一、圓片型壓電陶瓷胚體的常規(guī)制備(1)陶瓷粉料制備按照陶瓷粉料的加工 工藝制備所需要的粉料，包括混磨(鋯鈦酸鉛(PTZ)基的壓電材料)——預(yù)燒(800°C左 右)——精磨——烘干；(2)坯體成型在1000——1200°C左右進(jìn)行燒結(jié)成為瓷體，坯體直 徑為6-25mm，厚度為l_2mm。二、電極被覆和極化(1)被覆上電極將所述的圓片型壓電陶瓷胚體清理后被覆 上電極，所述的上電極包括三個(gè)區(qū)域，分別為所述的輸入部分的上電極、所述的輸出部分的 上電極和所述反饋部分的電極；所述的輸入和輸出部分之間、所述的輸入和反饋部分之間 的隔離帶，不覆電極；(2)被覆下電極將所述的被覆上電極的胚體被覆下電極，所述的下電極包括兩 個(gè)區(qū)域，分別為所述的輸入部分的下電極，所述的輸出部分的下電極；所述的輸入和輸出部 分之間的隔離帶，不覆電極；(3)電極極化將所述的被覆上下電極的進(jìn)行極化處理；上述被覆電極和極化的工藝條件均與現(xiàn)有技術(shù)相同，在此不再贅述；被覆的關(guān)鍵 點(diǎn)為輸入和輸出部分之間、輸入部分和反饋部分之間為隔離帶，不覆電極，但可以被覆絕緣 層，如高分子結(jié)緣材料；極化的關(guān)鍵點(diǎn)為沿厚度方向極化以實(shí)現(xiàn)單一極化、簡(jiǎn)化工藝，但不 限于沿此方向極化。極化方法不限于沿厚度方向極化，但對(duì)于圓片變壓器，由于沿厚度方向 極化，輸入與輸出端的極化方向相同，可以實(shí)現(xiàn)單一極化，極化工藝就相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，沿其 厚度方向極化，因?yàn)槠浜穸容^小，所需要的極化電壓也較低，一般為數(shù)百伏即可。這樣對(duì)極 化設(shè)備的要求也比較小了。因?yàn)槠錇閳A形單片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電極的設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)單，則較容易批 量生產(chǎn)，較Rosen型的簡(jiǎn)單多了。如下圖7所示，為實(shí)施列在1ΚΩ負(fù)載下的輸入與輸出的變化。在其輸出端加上 Ikohm的負(fù)載&，測(cè)量其輸入與輸出信號(hào)的關(guān)系。該信號(hào)變壓器具有以下傳輸性能5 12V 輸入時(shí)，5V輸出(負(fù)載&為IKohm)，隔離度達(dá)3000VAC，空載時(shí)輸出電壓達(dá)到40V以上，響應(yīng)時(shí)間小于lOOus。 以上僅是本發(fā)明 的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，上述優(yōu)選實(shí)施方式不應(yīng)視為對(duì) 本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改 進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器，包括壓電陶瓷胚體、輸入部分、輸出部分，其 特征在于還包括隔離部分；所述壓電陶瓷胚體為圓片型，所述的隔離部分從圓片型胚體 的其中一個(gè)圓面沿厚度方向延伸至另一個(gè)圓面，將壓電陶瓷胚體分為所述的輸入和輸出兩 個(gè)部分，形成所述的輸入與輸出部分之間未覆電極的第一隔離帶；所述的輸入部分和輸出 部分在胚體上下兩面設(shè)有被覆電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器，其特征在于還包括反饋 部分；所述的反饋部分位于輸入部分的其中一個(gè)電極面中，反饋部分設(shè)有被覆電極，該輸入 部分的電極面與反饋部分之間設(shè)有未覆電極的第二隔離帶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器，其特征在于所述輸 入部分與輸出部分之間的隔離帶、以及輸入電極面與反饋部分之間的隔離帶表面有被覆絕 緣材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器，其特征在于所述輸入部 分電極、輸出部分電極、反饋部分的電極根據(jù)輸入輸出的要求來設(shè)置各自的形狀和大小；所 述第一、第二隔離帶根據(jù)輸入部分、輸出部分、反饋部分之間的隔離要求來設(shè)置其形狀和大
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器，其特征在于所述的第一 隔離帶沿圓片的直徑對(duì)稱分布并沿厚度方向延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器，其特征在于所述圓片型壓 電陶瓷胚體的直徑為6-25mm，且直徑與厚度之比> 10。
7.—種權(quán)利要求3所述壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器的制造方法，其特征在于包括 以下步驟①被覆上電極將所述的圓片型壓電陶瓷胚體清理后被覆上電極，所述的上電極包括 三個(gè)區(qū)域，分別為所述的輸入部分的上電極、所述的輸出部分的上電極和所述反饋部分的 電極；所述的輸入和輸出部分之間、所述的輸入和反饋部分之間的隔離帶，不覆電極；②被覆下電極將所述的被覆上電極的胚體被覆下電極，所述的下電極包括兩個(gè)區(qū)域， 分別為所述的輸入部分的下電極，所述的輸出部分的下電極；所述的輸入和輸出部分之間的隔離帶，不覆電極；③電極極化將所述的被覆上下電極進(jìn)行極化處理；
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于所述的電極極化步驟③是沿胚體厚 度方向進(jìn)行極化的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于對(duì)所述不覆電極的隔離帶進(jìn)行被覆 絕緣材料處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造方法，其特征在于所述的絕緣材料是用滲漬的方法來 被覆的。
全文摘要
本發(fā)明公開一種壓電陶瓷圓片型隔離信號(hào)變壓器及制造方法，包括壓電陶瓷胚體、輸入部分、輸出部分，隔離部分；所述壓電陶瓷胚體為圓片型，所述的隔離部分從胚體的其中一個(gè)圓面沿厚度方向延伸至另一個(gè)圓面，將壓電陶瓷胚體分為所述的輸入和輸出兩個(gè)部分，形成所述的輸入與輸出部分之間未覆電極的第一隔離帶；所述的輸入部分和輸出部分在胚體上下兩面設(shè)有被覆電極。本發(fā)明信號(hào)變壓器具有電壓隔離的功能，同時(shí)轉(zhuǎn)換效率更高；而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積更小。
文檔編號(hào)H01L41/04GK102130291SQ20101060772
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者李民, 胡健仁, 鄧維體, 陶武平 申請(qǐng)人:廣州金升陽科技有限公司