多层压电陶瓷扬声器驱动器的配方及其制造方法.pdf

多层压电陶瓷扬声器驱动器及其制造方法
    【技术领域】

    本发明涉及一种扬声器驱动器，尤其涉及一种多层压电陶瓷扬声器驱动器及其制造方法。

    背景技术

    压电陶瓷材料是一种能够将机械能和电能互相转换的功能性陶瓷材料，由于它具有高的压电性能，已被广泛应用于各类电子器件中。多层压电陶瓷扬声器就是一种新型的电声器件，它与传统的动圈式扬声器相比具有以下优势：(1)压电扬声器结构中不需要磁铁，从而也不会存在任何的磁场对周围的电路产生干扰和影响；(2)压电扬声器的厚度超薄，目前所制成的压电扬声器本身的厚度仅有0.7mm，而动圈式扬声器的厚度一般均在3mm以上，相比之下，压电扬声器可安装于更为狭小的空间中(3)压电扬声器具有轻便的特点，重量一般都小于1g，比传统的动圈扬声器轻30％～50％；(4)压电扬声器功耗低，一般小于15mW，是动圈式扬声器消耗功率的1/5～1/2，这大大延长了器件的电池寿命；(5)压电扬声器的声学设计简单，背面只需很少空间。正是由于压电扬声器的这些优势，在当今器件小型化的趋势下，具有极其广阔的应用前景。主要用于消费电子产业领域，如手机、数码相机、数码摄像机、MP3、MP4、可携式影音产品、手持电子游戏机等。

    多层压电扬声器由两部分组成，一部分是在厚度方向极化了的多层压电陶瓷驱动器，一部分是金属基板(也称振膜)，而多层压电陶瓷驱动器则是压电扬声器的核心。

    我们知道，压电陶瓷材料大都是铅基氧化物，在高温烧结时，由于氧化铅的挥发，将导致化学计量偏离，性能下降和对环境的污染，同时，还浪费能源；另外一个方面，压电扬声器的驱动器必须采用多层结构，烧结多层结构器件时，需在银浆中添加部分贵金属钯(Pd)作为内电极烧结，一般情况下，烧结温度越高，电极浆料中含钯量越大，而使得内电极所用的浆料价格越高。因此，降低烧结温度不仅有利于减少氧化铅(PbO)的挥发，而且可以减小浆料中钯含量或者不用添加钯而用纯银浆，降低内电极的成本，有利于多层压电陶瓷扬声器驱动器产业化的生产。

    目前，国外多层压电陶瓷材料的烧结温度一般在1150℃左右，所用内电极为钯含量超过35％的银‑钯电极，价格昂贵、成本高，且陶瓷膜片烧结的变形大、合格率低。而国内的一些厂家虽然使用在980～1050℃的低温烧结技术，但所用内电极仍然为含量为10～15％的钯浆料，价格仍然较贵。因此，本发明的工作旨在找出一种合适的压电陶瓷材料的配方及其制造方法以降低烧结温度，从而使用纯银浆的内电极材料，同时又能兼顾多层压电陶瓷扬声器驱动器所要求的高平面机电耦合系数、低的机械品质因数和低的机电损耗。

    【发明内容】

    本发明所要解决的一个技术问题是：提供一种具有超低烧结温度、制造成本较低的多层压电陶瓷扬声器驱动器。

    为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：所述的扬声器驱动器用多层压电陶瓷的配方的化学计量通式为：Pb_1‑xSr_x(Zn_1/3Nb_2/3)_y(Ni_1/3Nb_2/3)_z(Li_1/2Sb_1/2)_{(025‑y‑z)}Zr_0.375Ti_0.375O₃+tLi₂CO₃+u MnCO₃

    其中：

    0.000mol＜x＜0.100mol；0.000mol＜y＜0.150mol；0.000mol＜z＜0.100mol；

    0.00wt％＜t＜0.200wt％；0.00wt％＜u＜0.200wt％，wt％重量百分比。

    本发明所要解决的另一技术问题是：提供一种具有超低烧结温度、制造成本较低的多层压电陶瓷扬声器驱动器的制造方法。

    为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种权利要求1所述的多层压电陶瓷扬声器驱动器的制造方法，包括如下步骤：

    (1)配料、搅拌球磨、砂磨

    按配方通式的化学计量比称取：Pb₃O₄、SrCO₃、ZnO、Nb₂O₅、NiO、Sb₂O₅、ZrO₂、TiO₂、MnCO₃、Li₂CO₃进行混合，然后将其加入到搅拌球磨机内，向搅拌球磨机内加入去离子水为分散剂，向搅拌球磨机内加入氧化锆球为球磨介质，去离子水与原料的重量比为1∶1.5～2，用搅拌球磨机球磨3～5小时，搅拌球磨机上变频器的频率设置为40～45HZ，分离氧化锆球，将混合料一并加入到砂磨机，用砂磨机磨1～2小时，砂磨机的转速为2000～2200转/分，用粒度仪测定，其粒度应符合d(50)＝0.1～0.2um，出料，放入恒温干燥箱内90～120度温度干燥8～12小时，再将物料放入到万能粉碎机中进行磨碎，出料，通过80目的标准筛；

    (2)预烧

    将粉碎后的物料置于氧化铝坩埚内，并压实加盖，在箱式的电阻炉内以800～820度预烧保温2～4小时，自然冷却到室温、出炉；

    (3)砂磨与烘干

    将预烧粉体捣碎并放入万能粉碎机进行磨碎，出料，通过80目的标准筛，将磨碎后的粉体装入不锈钢盆内并加入去离子水，搅拌均匀后一并移入到砂磨机内，去离子水与粉体的重量比为1∶1.5～2，用砂磨机磨1～2小时，砂磨机的转速为2000～2200转/分，出料，将混合料放入洁净的不锈钢烘盘中并移送到恒温干燥箱内80～120度烘干8～12小时，再将物料加入到万能粉碎机中进行磨碎，出料，通过100目的标准筛；

    (4)流延浆的制备

    将上述瓷粉与溶剂按一定比例加入到球磨罐中，并加入氧化锆球为球磨介质，球磨分散5～10小时，之后加入粘合剂继续球磨10～15小时，过滤出料。其中：溶剂为甲苯或二甲苯和无水酒精，其与瓷粉的比例为：0.30～0.35∶1；粘合剂(26％PVB甲苯溶液)与瓷粉的比例为：0.25～0.35∶1；氧化锆球与瓷粉的比例为：1.5～2.0∶1；

    (5)流延成膜

    将上述过滤出料的流延浆在真空度为0.050～0.065MPa的条件下脱泡1～2小时，静置10～12小时，之后用流延机进行流延成膜，带速控制在500～1200rpm，流延机各温度区域的干燥温度为：60～90、90～100、90～110度；同时，还须调节好膜片干燥的抽风量的大小；膜片的厚度控制在20～50um，当然，不同的膜厚，需要调节干燥区的温度及抽风量；流延机自动将膜片切成所设定需要尺寸的膜片；

    (6)印刷叠层

    调整好自动上料印刷叠层机，主要包括调整处理压合座，对网、调整刮板及烘干箱调至设定的温度；用纯银浆作为电极的印刷材料，铺一层上述膜片在印刷载板上，按设计好的网板印一层，烘干，温度为60～80度；再铺一层膜片，压合，其压合压力为15～25MPa，印刷；如此重复，按多层压电扬声器驱动器的要求，到膜片叠层到3～5层，将膜片从印刷载板上取下用真空包装机将膜片封于PE的专用塑料袋内，须保证不漏气，一整版印刷后的膜片包含了多个坯件；

    (7)层压

    将上述装有印刷叠层好的膜片的包装袋放入智能热等均压机内进行层压，使其各层间在一定的温度及压力下更加致密；层压的温度为55～70度，压力为20～50Mpa；

    (8)切割

    层压完后，小心剪去塑料包装袋，取出生膜片，按印刷上去的切割线切割成单个的多层压电陶瓷扬声器驱动器的坯件；将此坯件小心用毛笔蘸上银浆按极性进行封端；

    (9)排胶

    将上述封端好的坯件放入箱式电阻炉或隧道炉内，温度280～350度，保温25～50小时进行有机物排除，再升温到500～700度，最后，随炉自然冷却到室温；

    (10)烧结

    将上述排胶的坯件放入到箱式的烧结炉或者隧道烧结炉中，并用方形的氧化铝坩埚倒扣在坯件上密封，升温速度2～5度/分钟，在900～920度烧结保温2～4小时，随炉自然冷却到室温；

    (11)极化

    将烧结好的器件置于专用的夹具内，将整体的夹具放入到烘箱内加热到180～260度，在此温度下，给器件施加25～38V的直流电压，持续15～30分钟，制备成多层压电陶瓷扬声器用驱动器。

    为了更好地解决本发明的另一技术问题，本发明采用的进一步技术方案为：在所述的配料、搅拌球磨、砂磨工艺步骤(1)中，将混合料一并加入到砂磨机，用砂磨机磨1.5小时，砂磨机的转速为2000转/分，用粒度仪测定，其粒度应符合d(50)＝0.1～0.15um。

    为了更好地解决本发明的另一技术问题，本发明采用的进一步技术方案为：在所述的预烧工艺步骤(2)中，将粉碎后的物料置于氧化铝坩埚内，并压实加盖，在箱式的电阻炉内800～820度预烧保温2～3小时。

    为了更好地解决本发明的另一技术问题，本发明采用的进一步技术方案为：在所述的烧结工艺步骤(10)中，将上述排胶的坯件放入到箱式的烧结炉或者隧道烧结炉中，并用方形的氧化铝坩埚倒扣在坯件上密封，升温速度2～3度/分钟，在900～920度烧结保温2～3小时。

    本发明的优点是：本发明多层压电陶瓷扬声器驱动器及其制造方法，通过对配方的优化，在满足多层压电陶瓷驱动器各类性能的条件下，使烧结温度控制在900‑930度超低温度，与传统的高温烧结1050‑1150度及低温烧结980‑1050度相比存在以下优点：

    1、可大量节省电能，并延长高温烧结设备的使用寿命，大大降低氧化铅(PbO)挥发，减小对环境的污染。

    2、由于压电陶瓷片只有0.1mm左右的厚度，在高温烧结中特别容易变形，本发明采用超低温烧结工艺，可减小烧结过程中产品变形，可大大提高产品的良品率，为产业化提供便利，降低成本。

    3、可使用纯银浆为内电极材料，取代了高温烧结所用价格昂贵的银—钯浆内电极材料，因此，使其制造多层压电陶瓷驱动器的成本比同类产品使用银‑钯浆产品的制造成本低60％～150％，这一点具有非常强的竞争力。

    【具体实施方式】

    下面通过具体实施例详细描述一下本发明的具体内容。

    实施例一：

    本发明用Sr取代部分Pb，可以减少铅的挥发使烧结变得容易，同时，引入一定量的锑锂酸铅，可降低Qm值，加入适量的Li₂CO₃作为低温添加剂，适量的MnCO₃可提高材料的温度稳定性，提高陶瓷片的强度，但只能添加微量。

    因此以纯银为内电极超低温烧结的多层压电陶瓷扬声器驱动器，其化学计量通式为：

    Pb_1‑xSr_x(Zn_1/3Nb_2/3)_y(Ni_1/3Nb_2/3)_z(Li_1/2Sb_1/2)_{(0.25‑y‑z)}Zr_0.375Ti_0.375O₃+tLi₂CO₃+u MnCO₃

    其中：

    0.000mol＜x＜0.100mol；0.000mol＜y＜0.150mol；0.000mol＜z＜0.100mol；

    0.00wt％＜t＜0.200wt％；0.00wt％＜u＜0.200wt％，wt％重量百分比。

    选取x＝0.02，0.04，0.08，0.10 y＝0.10 z＝0.08 t＝0.10 u＝0.05作为实例一配方。

    其制造工艺步骤如下：

    1、配料、搅拌球磨、砂磨

    按x＝0.02，0.04，0.08，0.08 y＝0.12、z＝0.08、t＝0.10、u＝0.05化学计量配比称取Pb₃O₄、SrCO₃、ZnO、Nb₂O₅、NiO、Sb₂O₅、ZrO₂、TiO₂、MnCO₃、Li₂CO₃进行混合，然后将其加入到搅拌球磨机内，向搅拌球磨机内加入去离子水为分散剂，向搅拌球磨机内加入氧化锆球为球磨介质，去离子水与原料的重量比为1∶1.5，用搅拌球磨机球磨3小时，搅拌球磨机上变频器的频率设置为40HZ，分离氧化锆球，将混合料一并加入到砂磨机，用砂磨机磨1.5小时，砂磨机的转速为2000转/分，用粒度仪测定，其粒度应符合d(50)＝0.114um，出料，放入恒温干燥箱内90度温度干燥2小时，再将温度设定到120干燥8小时，再将物料放入到万能粉碎机中进行磨碎，出料，通过80目的标准筛。

    在本发明多层压电陶瓷扬声器驱动器的制造方法的工艺步骤1中，采用了先球磨再砂磨的方法将粉体处理的超细、与同类产品制造工艺相比，其粉体分散性好，掺杂均匀，比表面积大，反应活性高等优点，也为实现低温预烧及低温烧结起到一定的作用。

    (2)预烧

    将粉碎后的物料置于氧化铝坩埚内，并压实加盖，在箱式的电阻炉内以800度预烧保温2小时，自然冷却到室温、出炉。

    (3)砂磨与烘干

    将预烧粉体捣碎并放入万能粉碎机进行磨碎，出料，通过80目的标准筛，将磨碎后的粉体装入不锈钢盆内并加入去离子水，搅拌均匀后一并移入到砂磨机内，去离子水与粉体的重量比为1∶1.5，用砂磨机磨1.5小时，砂磨机的转速为2000转/分，出料，将混合料放入洁净的不锈钢烘盘中并移送到恒温干燥箱内内90度温度干燥2小时，再将温度设定到120干燥8小时，再将物料加入到万能粉碎机中进行磨碎，出料，通过100目的标准筛。

    (4)流延浆的制备

    将上述瓷粉与溶剂按一定比例加入到球磨罐中，并加入氧化锆球为球磨介质，球磨分散6小时，之后加入粘合剂继续球磨12小时，过滤出料。其中：溶剂为甲苯或二甲苯和无水酒精，其与瓷粉的比例为：0.30～∶1；粘合剂(26％PVB甲苯溶液)与瓷粉的比例为：0.35∶1；氧化锆球与瓷粉的比例为：1.5～∶1。

    (5)流延成膜

    将上述过滤出料的流延浆在真空度为0.050MPa的条件下脱泡1小时，静置12小时，之后用流延机进行流延成膜，带速控制在800rpm，流延机各温度区域的干燥温度为：90、100、110度；同时，还须调节好膜片干燥的抽风量的大小；膜片的厚度控制在35um，当然，不同的膜厚，需要调节干燥区的温度及抽风量；流延机自动将膜片切成所设定需要尺寸的膜片。

    (6)印刷叠层

    调整好自动上料印刷叠层机，主要包括调整处理压合座，对网、调整刮板及烘干箱调至设定的温度；用纯银浆作为电极的印刷材料，铺一层上述膜片在印刷载板上，按设计好的网板印一层，烘干，温度为80度；再铺一层膜片，压合，其压合压力为20MPa，印刷；如此重复，按多层压电扬声器驱动器的要求，到膜片叠层到3层，将膜片从印刷载板上取下用真空包装机将膜片封于PE的专用塑料袋内，须保证不漏气，一整版印刷后的膜片包含了多个坯件。

    (7)层压

    将上述装有印刷叠层好的膜片的包装袋放入智能热等均压机内进行层压，使其各层间在一定的温度及压力下更加致密；层压的温度为55～70度，压力为20～50Mpa。

    (8)切割

    层压完后，小心剪去塑料包装袋，取出生膜片，按印刷上去的切割线切割成单个的多层压电陶瓷扬声器驱动器的坯件；将此坯件小心用毛笔蘸上银浆按极性进行封端。

    (9)排胶

    将上述封端好的坯件放入箱式电阻炉或隧道炉内，温度340度，保温45小时进行有机物排除，再升温到700度，最后，随炉自然冷却到室温。

    (10)烧结

    将上述排胶的坯件放入到箱式的烧结炉或者隧道烧结炉中，并用方形的氧化铝坩埚倒扣在坯件上密封，升温速度2～5度/分钟，两种料分别在880、900、920、940、960、980度烧结保温2小时，随炉自然冷却到室温。

    (11)极化

    将烧结好的器件置于专用的夹具内，将整体的夹具放入到烘箱内加热到180～260度，在此温度下，给器件施加25～38V的直流电压，持续15～30分钟，制备成多层压电陶瓷扬声器用驱动器。

    按上述方法制备的多层压电陶瓷扬声器驱动器放置12小时测试其压电性能，测试所用仪器：精密LCR数字电桥TH2818自动元件分析仪，由常州同惠电子有限公司生产。

    表1 不同烧结温度下，不同锶含量对材料压电性能的影响

    

    由表1可以得出，多层压电扬声器驱动器的相关的性能参数在900‑920度的烧结温度时，其性能最好。同时，在X＝0.06时，压电陶瓷器件Kp值最高，Qm最低，机电损耗最小，静态电容最大；压电性能最好。

    实施例二：

    以纯银为内电极超低温烧结的多层压电陶瓷扬声器驱动器，其化学计量通式为：

    Pb_1‑xSr_x(Zn_1/3Nb_2/3)_y(Ni_1/3Nb_2/3)_z(Li_1/2Sb_1/2)_{(0.25‑y‑z)}Zr_0.375Ti_0.375O₃+tLi₂CO₃+u MnCO₃

    其中：

    0.000mol＜x＜0.100mol；0.000mol＜y＜0.150mol；0.000mol＜z＜0.100mol；0.00wt％＜t＜0.200wt％；0.00wt％＜u＜0.200wt％，wt％重量百分比。

    我们选取x＝0.06 y＝0.05、0.10、0.12、0.15 z＝0.08、t＝0.10、u＝0.05作为实例二配方，

    实施实例二的制造工艺方法步骤与实例一制造工艺步骤相同，仅在实例1的制造工艺步骤10中改为：将上述排胶的坯件放入到箱式的烧结炉或者隧道烧结炉中，并用方形的氧化铝坩埚倒扣在坯件上密封，升温速度2‑5度/分钟，两种料分别在880、900、920、940、960度烧结保温2h，随炉自然冷却到室温。

    按上述工艺方法制备的多层压电陶瓷扬声器的驱动器放置12h测试其压电性能，测试所用仪器：精密LCR数字电桥TH2818自动元件分析仪，由常州同惠电子有限公司生产；

    表2、不同烧结温度下，不同(Zn_1/3Nb_2/3)含量对材料压电性能的影响

    

    由表2可以得出，多层压电扬声器驱动器的相关的性能参数在900‑920度的烧结温度时，其性能最好。同时，在y＝0.12时，多层压电陶瓷扬声器驱动器的Kp值最高，Qm最低，机电损耗最小，静态电容最大；压电性能最好。

    实施实例三

    以纯银为内电极超低温烧结的多层压电陶瓷扬声器驱动器，用下述通式Pb_1‑xSr_x(Zn_1/3Nb_2/3)_y(Ni_1/3Nb_2/3)_z(Li_1/2Sb_1/2)_{(0.25‑y‑z)}Zr_0.375Ti_0.375O₃+tLi₂CO₃+uMnCO₃表示材料的组成，式中

    0.000mol＜x＜0.100mol；0.000mol＜y＜0.150mol；0.000mol＜z＜0.100mol；0.00wt％＜t＜0.200wt％；0.00wt％＜u＜0.200wt％。

    我们选取x＝0.06，y＝0.12，z＝0.04、0.06、0.08、0.10，t＝0.10，u＝0.05作为实例二配方，

    实施实例三的制造工艺方法步骤与实例二制造工艺步骤相同。

    按上述工艺方法制备的多层压电陶瓷扬声器的驱动器放置12h测试其压电性能，测试所用仪器：精密LCR数字电桥TH2818自动元件分析仪，由常州同惠电子有限公司生产。

    表3、不同烧结温度下，不同(Ni_1/3Nb_2/3)含量对材料压电性能的影响

    

    由表3可以得出，多层压电扬声器驱动器的相关的性能参数在900‑920度的烧结温度时，其性能最好。同时，在Z＝0.08时，多层压电陶瓷扬声器驱动器的Kp值最高，Qm最低，机电损耗最小，静态电容最大；压电性能最好。

    实施实例四

    以纯银为内电极超低温烧结的多层压电陶瓷扬声器驱动器，用下述通式Pb_1‑xSr_x(Zn_1/3Nb_2/3)_y(Ni_1/3Nb_2/3)_z(Li_1/2Sb_1/2)_{(0.25‑y‑z)}Zr_0.375Ti_0.375O₃+tLi₂CO₃+uMnCO₃表示材料的组成，式中

    0.000mol＜x＜0.100mol；0.000mol＜y＜0.150mol；0.000mol＜z＜0.100mol；0.00wt％＜t＜0.200wt％；0.00wt％＜u＜0.200wt％。

    我们选取x＝0.06，y＝0.12，z＝0.08，t＝0.03、0.06，0.08、0.10，u＝0.05作为实例二配方，

    实施实例四的制造工艺方法步骤与实例二制造工艺步骤相同。

    按上述工艺方法制备的多层压电陶瓷扬声器的驱动器放置12h测试其压电性能，测试所用仪器：精密LCR数字电桥TH2818自动元件分析仪，由常州同惠电子有限公司生产。

    表4、不同烧结温度下，不同Li2CO3含量对材料压电性能的影响

    

    由表4可以得出，随着Li₂CO₃含量的减少，烧结温度越高，其多层压电扬声器驱动器的相关的性能参数趋好。含量少于0.03％时，在烧结温度在920度以下时还测不到器件的压电性能，而当含量达到0.1％时，烧结温度在900‑920度时，其多层压电陶瓷扬声器驱动器的Kp值最高，Qm最低，机电损耗最小，静态电容最大。

    综上，本发明以纯银为内电极超低温烧结的多层压电陶瓷扬声器驱动器，用下述通式

    Pb_1‑xSr_x(Zn_1/3Nb_2/3)_y(Ni_1/3Nb_2/3)_z(Li_1/2Sb_1/2)_{(0.25‑y‑z)}Zr_0.375Ti_0.375O₃+tLi₂CO₃+uMnCO₃表示材料的组成，式中

    0.000mol＜x＜0.100mol；0.000mol＜y＜0.150mol；0.000mol＜z＜0.100mol；0.00wt％＜t＜0.200wt％；0.00wt％＜u＜0.200wt％。

    我们选取X＝0.06，y＝0.12，z＝0.08，t＝0.10，u＝0.05作为配方化学计量，按本发明实施例的制造工艺步骤，已制造出以纯银为内电极材料，烧结温度在900或920度的条件下的多层压电陶瓷扬声器驱动器，其性能符合要求。本发明通过大量的实验数据证明：其预烧温度控制在800～820度，保温2～4小时；其烧成温度在900‑920度，保温2～4小时，内电极材料使用纯银浆，其压电陶瓷驱动器的性能参数：以三层结构，流延膜片厚度为35～37um，压电驱动器的尺寸为18*18(L*W)为例(注：由于多层压电陶瓷驱动器的各项性能参数因几何尺寸的不同而不同，因此本发明中在没有特别说明时，其都指的是“三层结构，流延膜片厚度为35～37um，压电驱动器的尺寸为L*W＝18*18)：

    平面机电耦合系数K_P＞0.50      静态电容量C₀＞650nF，

    机械品质因数Qm＜50            机电损耗Tgδ＜3.0％

    完全能达到多层压电陶瓷扬声器驱动器的性能要求。