专利名称：压电复合传感器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种压电传感器，更具体地说，涉及一种使用压电复合材料的
压电传感器。
背景技术：
具有介电特性、压电特性等的功能陶瓷在广泛的领域中用于各种电器和电 子零件。例如，在诸如各种致动器、传感器和共振器等压电元件中使用功能陶 瓷。具有介电特性的功能陶瓷包括二氧化硅(Si02)、氧化铝(A1203)、氮化铝 (A1N)、钛酸钡(BaTi03)等等。具有压电特性的功能陶瓷包括锆钛酸铅(PZT) 等等。压电特性称为压电性，其特征在于，当以某个方向对压电元件施压时，将 会生成电流，因为元件的两个表面上会产生与外力成比例的电介质极化。相反， 如果通过电的方法在压电元件上产生电介质极化，则会生成力，从而导致压电 元件变形。利用这种特性，可以将功能陶瓷应用于各种领域。例如，利用机械 能到电能转换特性，可将功能陶瓷用于制造煤气灶点火装置、加速传感器和诸 如麦克风等声波定位器；以及利用电能到机械能转换特性，将功能陶瓷用于制 造石英钟振荡器、超声波清洁器和加湿器。早期曾将具有上述压电特性的晶体、电气石、罗谢耳盐等用作压电元件， 诸如钛酸钡等压电陶瓷材料具有非常高的转换效率，能够将机械振动能转换为 电能，以及将电能转换为机械振动能。具体地说，已经发现了作为双组分材料 的称为锆钛酸铅(PZT)的压电陶瓷，并广泛用于诸如加速计等传感器。PZT陶 瓷具有优良的机械和电特性，并通过按预定比率混合钛酸铅(PbTiO》和锆酸 铅(PbZr03)制备而成。根据用途向该混合物添加杂质所获得的各种物理特性 可以在压电陶瓷中加以采用。 —般来说，陶瓷需要一个将陶瓷成型为所需形状的烧制工序，以及一个在 烧制工序后执行的加工工序。由于陶瓷几乎没有可塑性，因此很难获得具有复 杂形状的成型产品。也就是说，陶瓷的一个缺点在于，其成型自由度非常不足。 相应地，陶瓷还具有成型工序很复杂、生产率低和成型成本高等缺点。具体地 说，陶瓷的一个问题在于，它们很容易受到外部冲击力的损坏，因为陶瓷具有
很低的机械韧性。因此，需要一种能够给予陶瓷弹性和抗冲击性而不影响陶瓷 压电特性的技术。另一方面，由于诸如塑料等聚合物材料具有优良的可塑性，其优点在于能 够以低成本准确成型为任何复杂的形状。然而，塑料具有低强度、低导电性和 低导热性的缺点。最近，许多研究结果提出了各种适用于电磁波屏蔽薄膜、蓄
电池、传感器等的导电聚合物。例如，聚对苯撑乙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、 聚吡咯、聚乙炔等就是已在传感器、内存元件和电极材料等领域实际应用的导 电聚合物。明确地说，PVDF是一种具有压电和介电特性的典型聚合物，其广泛应用 于蓄电池的电极成型。通过混合陶瓷和聚合物所获得的压电复合材料，可以同时利用陶瓷优良的 压电特性优点和聚合物优良的可塑性优点。当在压电复合材料的两个表面形成 电极时，压电复合材料可具有压电传感器的功能。在现有技术中，当在压电复合材料的两个表面形成电极时，电极是通过在 压电复合材料上形成金属薄膜或镀上金粉油墨来形成的。由于此工序是独立于 压电复合材料成型工序的附加工序，因此存在的问题在于，该工序非常复杂并 相应增加了成本。此外，由于电极形成于金属薄膜中，因此存在的问题在于， 电极由于冲击脆弱性和机械性弱点而非常易碎。此外，由于实现压电元件所需的电极材料不容易耦合或粘合到压电复合材 料上，因此可能无法实现元件或所装配的元件使用寿命可能缩短。这里，电极 的粘附力非常重要的原因在于，利用压电性的元件会由于重复的机械压力和电 信号而变形，使得电极可能由于元件的重复使用而从压电聚合物脱层，从而无 法执行电信号正确传输。也就是说，当在压电复合材料上使用金属电极时，金属薄膜具有非常小的 厚度，并且不容易粘附到压电复合材料上。因此，存在的问题在于，薄膜会分 层或其电特性会在使用时弱化。此外，在现有技术中，当从由金属构成的电极装配导线时，存在的麻烦在 于，到外部电路的电连接应该使用焊接或机械夹进行。由于电极由金属形成从 而具有非常小的厚度，因此存在电极的厚度调整范围非常有限的缺点。
发明内容
技术问题[13]为解决现有技术中的问题而提出了本发明。本发明的一个目的是提供一种 压电复合传感器，其具有优良的压电和介电特性、高机械强度、高抗冲击性和 改进的可靠性。本发明的另一个目的是提供一种压电复合传感器，其由于简化的工序而能 够降低工序成本并提高生产率。
技术方案为实现这些目的，本发明提供了一种压电复合传感器，其包括一对电极； 以及一个压电材料层，其由压电复合材料形成，并位于电极之间，其中压电复 合材料包括压电材料粉末和聚合物的混合，并且其中至少一个电极包括由导电 填充颗粒与聚合物基体混合而获得的导电聚合物或导电复合材料。在本发明的压电复合传感器中，电极对可形成于压电材料层的两个相反表 面上。在本发明的压电复合传感器中，电极对可以包括一个由预定长度的金属电 线形成的内部电极，以及一个由导电复合材料或导电聚合物形成的外部电极， 压电材料层可以环绕内部电极，外部电极可以环绕压电材料层。同时，压电复 合传感器可进一步包括一根纵向形成于外部电极中的细金属线。在本发明的压电复合传感器中，电极对可包括一个由金属形成的球形内部 电极，以及一个由导电复合材料或导电聚合物形成的外部电极，压电材料层可 环绕内部电极，外部电极可以环绕除压电材料层的预定区域外的压电材料层。 该压电复合传感器可进一步包括一引出线，其一端连接到内部电极，另一端暴 露在压电材料层的上述预定区域，同时穿过压电材料层。电极中包含的导电填充颗粒可以包括炭粉或金属粉末。电极中包含的聚合 物基体可以包括硅橡胶、聚亚安酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇、聚偏二氟乙 烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)。压电材料粉末可以包括从钛酸钡(BaTi03)、PbZr03-PbTi03固溶体(PZT)、 PbZrOrPbTiOrPb(Mg1/3Nb2/3)固溶体(PZT誦P画)、Ti02、 Ti03、 Si02、 ZnO和 Sn02Zr或其混合物组成的群组中选择的任何一种陶瓷。在本发明的压电复合传感器中，压电材料层、电极、内部电极和外部电极 可通过挤压和注塑成型的方式形成。通过采用具有压电特性的材料，其中压电特性支持电能到机械能转换或机 械能到电能转换，从而将压电陶瓷非常广泛地应用于所有行业。根据本发明的压电传感器是通过在两个电极间形成压电材料层来构造的。压电材料层使用的材料，系通过混合具有优良压电特性的压电材料粉末与 具有优良可塑性的聚合物所获得的压电复合材料。压电复合材料是通过将压电 材料粉末分散在由聚合物形成的基体中来制备的。由于压电复合材料的制造方 法是将压电材料粉末分散在聚合物形成的基体中，并对压电复合材料进行挤压 和注塑成型，因此压电复合材料可容易地成型，从而降低其制造成本。也就是说，在将陶瓷用作压电材料的情况下，将不需要烧制工序和烧制工 序后的加工工序。因此，在复合材料的情况下，存在的优点在于，无法通过加 工工序生产的各种形状的产品，现在可容易地成型，并极大地提高生产率。此外，尽管陶瓷具有的问题在于，陶瓷由于机械性弱点和冲击脆弱性而非 常易碎，但本发明采用压电复合材料作为压电材料层，从而确保了抗髙冲击的 机械稳定性，并改进了耐用性和可靠性。通过适当调整压电材料粉末和聚合物的组成比率，可以控制压电复合材料 的压电性能和可加工性。尽管从压电性能的角度看，压电复合材料中高含量的 压电材料粉末是可取的，但是太高含量的压电材料粉末会在成型工序过程中降 低流动性，从而难于对压电复合材料成型。换言之，尽管增加聚合物含量可以 改进可加工性，但是会由于减少压电材料粉末含量而损失压电特性。如果减少 聚合物含量，可以改进压电复合材料的压电特性，但是会降低压电复合材料的 可加工性。因此，考虑到这些情况，应根据所需的压电和物理特性，以合乎需 要的组成比率对压电材料粉末和聚合物进行混合。在将压电材料粉末和聚合物进行混合时，务必均匀地混合它们。均匀混合 可最大限度减少孔，并改进压电材料层的机械特性。因此，最好使用较精细的 压电材料粉末，以便最小化压电材料粉末与聚合物的均匀混合所导致的孔。如 果压电材料粉末的颗粒大小很大，则很难有效地混合压电材料粉末和聚合物。 因此，存在的问题在于降低了机械强度、可分散性等等。然而，如果压电材料 粉末的颗粒太小，则压电特性预期会降低，因此需要某种用于将颗粒大小控制 在适当范围的技术。该压电材料粉末是陶瓷粉末，其至少包括钛(Ti)、铅(Pb)、钡(Ba)、硅 (Si)、锡(Sn)、镁(Mg)、铌(Nb)和锆(Zr)的一种金属氧化物。优选地，根 据目标压电元件的特性，可以使用钛酸钡(BaTi03)、 PbZr03-PbTi03固溶体 (PZT)、 PbZrOrPbTiOrPb(Mg1/3Nb2/3)固溶体(PZT陽P固)、Ti02、 Ti03、 Si02、 ZnO和Sn02Zr或其混合物。上述聚合物使用包括聚亚安酯、硅橡胶、氯丁二烯橡胶、Eccogel和聚偏 二氟乙烯(PVDF)在内的各种聚合物。具体地说，优选地使用典型的导电聚合 物PVDF，因为其具有压电和介电特性。聚合物可以(但不限于)是压电聚合 物，包括聚合物与PVDF衍生物或诸如HEP等添加剂的混合，以及偏二氟乙 烯/三氟乙烯(VDF/TrFE)。此外，根据本发明的压电复合传感器的电极由通过混合导电填充颗粒与聚 合物基体而获得的导电聚合物或导电复合材料形成。高导电性的碳粉和金属粉末用作导电复合材料或导电聚合物的导电填充 颗粒。硅橡胶、聚亚安酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇、聚偏二氟乙烯(PVDF) 和聚四氟乙烯(PTFE)等具有高结晶性和线性链结构，主要用作聚合物基体。在作为压电材料层的压电复合材料的两个表面上，使用导电复合材料或导 电聚合物形成电极的优点在于，可以使用与压电材料层相同的挤压和注塑成型 设备来制造电极。因此，工序成本可以降低，生产率可以提高，并且可容易地 对各种形状的颗粒成型。此外，在现有技术中，当从由金属构成的电极装配导线时，存在的麻烦在 于，到外部电路的电连接应该使用焊接或机械夹进行。然而，在本发明的压电 复合传感器中，可直接在注塑成型和挤压工序中进行电线连接。此外，在本发 明中，可以控制由导电复合材料或导电聚合物构成的电极的厚度，因此与现有 技术相比，可以增加电极的厚度调整范围；在现有技术中，由于金属薄膜的厚 度限制，外部尺寸只能通过压电材料进行控制。在使用金属电极的传统情况下，金属薄膜与压电复合材料的粘附力不稳 定，并且金属薄膜太薄，使得金属薄膜可能在使用时从压电复合材料脱层。然 而，如果电极从压电复合材料脱层，则无法正确传输电信号，因此可能无法实 现元件或元件使用寿命可能縮短。因此，电极对压电材料层的粘附力非常重要。在根据本发明的压电复合传感器中，由于压电材料层和电极包含聚合物组 分，聚合物组分之间非常强的粘合力可以最大化压电材料层和电极之间的粘附 力。通过保证压电复合材料和聚合物形成的电极之间的稳定粘结，可以改进元 件效率并延长传感器使用寿命。在压电材料层和电极中使用相同聚合物可以进 一步增强这些效果。此外，由于本发明的压电复合传感器基于聚合物基体，因此其具有非常高 的耐热性和抗机械冲击性，并且在机械上非常稳定。基于陶瓷的传统压电传感 器存在的问题在于，无法容易地将其成型为各种形状，并且由于机械性弱点而
非常易碎。然而，由于本发明的压电复合传感器由基于聚合物的材料形成，因 此可容易地成型，并且具有抗超高冲击的机械稳定性。图1是说明根据本发明的压电复合传感器的压电特性的曲线图。参照图1，可以看到根据本发明的压电复合传感器根据压力增减实现电特 性。 一般来说，通过控制极化方向，可以根据具体的应用制造压电体。如果以 正向极化方向实施极化处理，则会以压力增加时增强电信号的方式生成信号。 如果反向实施极化处理，则表现出的特征为压力增加时电信号减弱。因此，在 根据本发明的压电复合传感器中，通过混合压电材料粉末和聚合物获得的压电 复合材料形成于由导电复合材料或导电聚合物形成的电极之间，可以看到，压 电特性可通过调整极化方向进行控制，并且可以改进压电特性。
有利效果根据本发明的压电复合传感器具有优良的压电和介电特性、高机械强度、 高可靠性和改进的工艺灵活性等优点。此外，根据本发明的压电复合传感器的 优点还在于，可容易地对其进行加工，并且可以制造各种形状的传感器。此外，根据本发明，可以简化制造过程以降低工序成本并提高生产率。
图1是说明根据本发明的压电复合传感器的压电特性的曲线图；图2是显示根据本发明的一个优选实施例的压电复合传感器的剖视图；图3是显示根据本发明的另一个优选实施例的压电复合传感器的透视 图；图4是显示根据本发明的又一个优选实施例的压电复合传感器的剖视 图。
具体实施例方式下面将参照
根据本发明的压电复合传感器的优选实施例。图2是显示根据本发明的一个优选实施例的压电复合传感器的剖视图。参照该图，压电复合传感器包括一压电材料层10和形成于压电材料层两 个表面上的电极20。传统产品中的陶瓷材料或电极很容易折断，当将如图2所示构造的压电 复合传感器应用于传统产品时，其可以改进产品可靠性和耐用性，并延长产品 使用寿命。例如，本实施例的优良特征可有效地应用于汽车轮胎压力管理系统， 该系统的功能是通过感测汽车轮胎的压力变化，从而提前通知危险情况。下面将简要说明图2所示的根据本发明的压电复合传感器的制造方法。首先，分别执行制备压电复合材料和导电复合材料或导电聚合物的混合工 序。执行将压电材料粉末和聚合物装载到捏合机中并在聚合物中分散压电材 料粉末的捏合工序，以获得用于压电复合材料的混合物。至于压电材料，理想 情况是包含高含量的压电材料粉末以改进压电特性。然而，由于过量压电材料 粉末会限制可加工性，因此应该适当控制压电材料粉末的含量。同时，由于压 电材料粉末和聚合物的均匀混合可最大限度减少孔并改进压电体的机械特性， 因此均匀混合非常重要。此外，使用混合器对导电填充颗粒和聚合物基体进行热混合，以获得导电 复合材料或导电聚合物。在用于构造电极的导电复合材料或导电聚合物中，理 想情况是其中包含许多导电填充颗粒以改进导电性。然而，应该适当控制导电 填充颗粒量以改进电极的机械特性。使用成型设备对混合的压电复合材料进行挤压和注塑成型。将混合的导电复合材料或导电聚合物放在成型后的压电复合材料的两个 表面上并对其成型，从而形成压电复合传感器的电极。图3是显示根据本发明的另一个优选实施例的压电复合传感器的透视 图。参照该图，压电传感器包括 一由金属电线形成的内部电极30; —环绕 内部电极的压电材料层10;以及一环绕压电材料层的外部电极40。外部电极 40由上述导电复合材料或导电聚合物形成，并使用与压电复合材料相同的挤压 和注塑成型设备，从而简化制造过程。此外，由于电极是由基于聚合物的材料 形成的，因此可容易地对其进行加工，并具有稳定的机械特性，甚至能抗超高 冲击。以电线形式制造的压电传感器可方便地用于横跨公路安装的交通量传感 器或超速传感器。因为由本实施例中的导电复合材料或导电聚合物形成的外部 电极具有高耐热性和高抗机械冲击性，所以可以将本发明的压电复合传感器安 装在公路上用作交通量传感器，其通过感测公路上的车辆负荷来测量交通量， 并且能够充分抵抗由车辆负荷带来的冲击。因此，可以改进机械稳定性和可靠 性，并且可以延长压电复合传感器的使用寿命。
9根据本发明的压电复合传感器的优点在于，随着传感器长度的增加，则会 由于聚合物而稍微增加电阻值。然而，如图所示，通过将金属细线45纵向插 入外部电极40，可以减小压电复合传感器的电阻值。图4是显示根据本发明的又一个优选实施例的压电复合传感器的剖视 图。参照该图，压电传感器制造为球形，并包括 一金属形成的内部电极50; 一环绕球形内部电极的压电材料层IO;以及一环绕压电材料层的外部电极60。 同时，外部电极60形成于压电材料层10上，但压电材料层10外围上的某 个区域除外； 一根连接到内部电极50并通过压电材料层10的引出线55，其 通过压电材料层上未形成外部电极60的区域暴露在外。例如，具有此类形状 的压电传感器可用作在高尔夫球模拟器或信息设备中提供位置信息的传感器。 根据压电传感器的各种形状，可以将其用于所需的用途。根据如上所述的本发明，电极由导电复合材料或导电聚合物在压电复合材 料上形成，从而改进可靠性并允许制造具有各种形状的传感器。尽管己针对优选实施例说明了本发明，但本领域的技术人员应了解，在不 脱离所附权利要求书所限定的本发明的主旨和范围的情况下，可以对本发明进 行各种修改和改变。
权利要求
1.一种压电复合传感器，包括一对电极；以及一个由压电复合材料形成并位于电极之间的压电材料层，其中，压电复合材料包括压电材料粉末和聚合物的混合，并且其中至少一个电极包括由导电填充颗粒与聚合物基体混合而获得的导电复合材料或导电聚合物。
2. 如权利要求1所述的压电复合传感器，其中电极对形成于压电材料层 的两个相反表面上。
3. 在如权利要求1所述的压电复合传感器，其中电极对包括 一个由预 定长度的金属电线形成的内部电极；以及一个由导电复合材料或导电聚合物形 成的外部电极，压电材料层环绕内部电极，外部电极环绕压电材料层。
4. 在如权利要求3所述的压电复合传感器，进一步包括一纵向形成于外 部电极中的金属细线。
5. 在如权利要求1所述的压电复合传感器，其中电极对包括 一个由金属形成的球形内部电极；以及一个由导电复合材料或导电聚合物形成的外部电 极，压电材料层环绕内部电极，外部电极环绕除压电材料层的预定区域外的压电材料层；该压电复合传感器进一步包括一引出线，其一端连接到内部电极， 另一端暴露在压电材料层的所述预定区域，同时穿过压电材料层。
6. 在如权利要求1至5中任何一项所述的压电复合传感器，其中导电填 充颗粒包括炭粉或金属粉末。
7. 在如权利要求1至5中任何一项所述的压电复合传感器，其中聚合物 基体包括硅橡胶、聚亚安酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇、聚偏二氟乙烯(PVDF) 和聚四氟乙烯(PTFE)。
8. 如权利要求1至5中任何一项所述的压电复合传感器，其中压电材料 粉末包括从钛酸钡(BaTi03) 、 PbZr03-PbTi03固溶体 (PZT)、 PbZrOrPbTiOrPb(Mg1/3Nb2/3)固溶体(PZT醫P顧)、Ti02、 Ti03、 Si02、 ZnO和 Sn02Zr或其混合物组成的群组中选择的任何一种陶瓷。
9. 如权利要求1至5中任何一项所述的压电复合传感器，其中压电材料 层、电极、内部电极和外部电极通过挤压和注塑成型的方式形成。
全文摘要
本发明提供一种压电复合传感器，包括一压电材料层，其由通过混合压电材料粉末和聚合物而获得的压电复合材料形成；以及电极，其由通过混合导电填充颗粒和聚合物基体而获得的导电复合材料或导电聚合物形成，并形成于压电材料层的两个表面上。本发明的压电复合传感器的优点包括优良的压电和介电特性、高机械强度、改进的可靠性和工序灵活性、简化的工序和低工序成本，以及提高的生产率。
文档编号H01L41/04GK101194376SQ200680020077
公开日2008年6月4日 申请日期2006年1月16日 优先权日2005年6月10日
发明者金东局 申请人:压电公司