[发明专利]自耦式压电陶瓷降压变压器及其制备方法

说明书

本发明涉及固态电子元器件，具体涉及一种压电陶瓷降压变压器。

人门已经知道在电子陶瓷电力器件应用领域中，利用压电陶瓷正逆压电效应进行电压或电流转换的技术，具体地说，这种技术就是通过对压电陶瓷进行一定的极化取向和电极结构设计，利用逆压电效应使压电陶瓷在输入端电压激励下产生机械振荡，然后利用正压电效应使该机械振动能转化为输出端的电能，从而实现电力传输过程中以机械能为媒介的电能互换。在该能量转化过程中，压电陶瓷变压器的结构和尺寸、振动方式和电能取出方式影响了压电陶瓷变压器自身的输入和输出电阻抗特性。当输入和输出端的电阻抗不等时，其输入和输出端间的电压在负载匹配情况下将不相等，这在效果上便等同于电磁式变压器，即通常所谓的压电陶瓷变压器。

压电陶瓷变压器从功能上可分为升压和降压二种，前者是以高输出电压为主要目的，而后者是以高输出功率、大电流为主要目的。它们已成为近年来特别引入注目的电子陶瓷元件，其原因是与目前大量应用的电磁式变压器相比，具有不可燃、无电磁辐射、体积小、结构简单等特点，适合于近年来迅猛发展的小型化电子如通讯、计算机设备等。90年代初，日本重要的公司和研究机构，如NEC、Toshiba、Tokin等公司以及东京工业大学即以计算机设备为应用目标，开展了压电陶瓷变压器应用研究。经过了近十年的研究工作后，率先在便携式手提计算机液晶屏幕显示和计算机降压变压器这种量大面广的应用。因而，可以预计压电陶瓷变压器在未来的电子元件器件中有着重要的地位。

图1所示的是1956年Rosen首先提出的压电陶瓷升压变压器结构。这种变压器是利用压电陶瓷的压电应变系数d₃₁产生横向振动，然后利用压电应变系数d₃₃来获得与振动方向平行的纵向电场来获得高输出电压。在这种结构中，输入和输出端电阻抗相差大才能保证负载有高的输出电压，因而变压器一般采用的是不对称结构。目前大多数压电陶瓷升压变压器都是以Rosen型结构为基本雏形而发展的产品，用于便携式手提计算机液晶屏幕显示便是采用Rosen改进型多层陶瓷电压变压器而工作的。日本专利申请第09059969号是这种类型的压电陶瓷变压器的一个实例。

图2所示的电压电陶瓷降压变压器常用的基本结构。它的输入和输出电流一般均很大，降压比在小于1和大于0.1之间，因而能满足于日益增长的小型化、大电流交流-交流(AC-AC)和直流-直流(DC-DC)转换电路的应用要求。该器件的输入和输出电阻抗不大且很接近，因而输入和输出端的电极结构通常是对称的或相近的，它们的振动模式亦是相同的。日本Tokin公司就是采用了与图2(a)相似的多层陶瓷片的输入和输出结构，制备了80瓦功率的纵向厚度振动模式压电陶瓷降压变压器，它的降压比接近0.4，用于计算机的交流-交流(AC-AC)转换器中。授予Takeshi Ⅰ等人的美国专利第5,118,982是这种压电陶瓷变压器的一个实例。