[发明专利]压电元件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种压电元件及其制备方法，尤指一种以表面覆有压电陶瓷层的纳米碳管作为压电材料的压电元件及其制备方法。

背景技术

压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象，而压电材料会有压电效应是因为晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。压电材料的应用范围非常广泛，例如：生化医疗用途、风力或潮汐发电装置、无线感应器、个人化电子产品等。目前常见的压电材料包含有陶瓷类的钛酸钡(BaTiO₃，BT)、钛酸铅锆(Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃，PZT)、单晶类的石英(Quartz)、电气石(tourmaline)、罗德盐(rochelle salts)、钽酸盐(tantalate)、铌酸盐(niobate)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)等，或是氧化锌(ZnO)。其中，现有技术于纳米级的压电元件的制作上，有一种是使用氧化锌制成纳米线(ZnO nanowire)来作为压电材料。

US2008/0067618即是提出一种以氧化锌纳米线作为压电元件的压电材料。如图1所示，其压电元件包括有：一第一导电层11(作为下电极)以及一第二导电层12(作为上电极)，第一导电层11与第二导电层12之间具有多个氧化锌纳米线13，且多个氧化锌纳米线13的一端是与第一导电层11电性耦接。由此，当施与一机械性压力于第二导电层12而使多个氧化锌纳米线13产生形变时，第一导电层11以及第二导电层12间会产生电压差或电流，而产生压电效应。

然而，使用压电陶瓷纳米线所制得的压电元件，其产生的电流大约仅为10^-12-10^-9安培左右，且由于压电陶瓷纳米线本身弹性度不佳、容易脆裂，因此时常导致所制作出来的压电元件的信赖性不佳。故，本领域亟需一种具有新颖结构的压电元件，使可改善现有压电元件中电流小以及压电陶瓷纳米线容易脆裂而导致信赖性不佳的缺点，而增加压电元件的信赖性以及可应用范围。

发明内容

本发明是提供一种压电元件，包括：多个纳米碳管；至少一压电陶瓷层，覆于多个纳米碳管的表面；以及支撑材料，配置于表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管之间，使支撑表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管；其中，表面覆有压电陶瓷层的多个纳米碳管排列呈现一梳状，配置于多个纳米碳管表面的压电陶瓷层互相电性耦接，且多个纳米碳管、至少一压电陶瓷层、以及支撑材料形成一压电块。

本发明的压电元件包含有纳米碳管/氧化锌结构于其中，因此可同时具有优秀的弹性(耐用性)及优秀的压电特性的优点。并且，本发明的单一压电元件所得到的电流可达到约1.5微安培(μA)以上，是现有压电元件的电流约10⁶倍(现有压电元件的电流大约仅为10^-12-10^-9安培左右)，而此为现有技术所无法达成。此外，由于本发明的压电元件所输出的电压及电流是取决于元件的体积，因此经由元件间的串并联，可无限提升整体压电输出的电压(1V以上)与电流(1mA以上)。

本发明的压电元件中，较佳可还包括一第一导电层以及一第二导电层，第一导电层以及第二导电层较佳为分别配置于压电块的相对二表面(例如，上表面以及下表面、或是二个相对的侧表面)，且第一导电层以及第二导电层分别与压电块中的压电陶瓷层电性耦接。第一导电层以及第二导电层较佳各自独立地为一金属层，其材质较佳可为金、银、铜、铂、钛、钯、或其合金，但不限于此。

本发明的压电块，依照电极配置的位置，可分为串联型式或并联型式的连接方法。当以并联型式连接时，压电块的上表面以及下表面可分别配置有一第一导电层以及一第二导电层，当元件尺寸(并联长度)超过1mm时，电流可超过1μA。当以串联型式连接时，第一导电层以及一第二导电层配置于压电块的二个侧表面，当元件尺寸(串联长度)超过2.5mm时，电压可超过1V。

由于纳米碳管本身具有导电性质，本发明的压电元件即使不具有第一导电层以及第二导电层亦可正常作用。例如，只要将导线与压电块的纳米碳管连接，即可将电流输出。而本发明中，第一导电层以及第二导电层可用以帮助电流收集。