多层压电元件的制作方法
【专利摘要】本公开涉及多层压电元件，该多层压电元件包括：多个压电层，分别具有15μm至100μm的厚度；以及内部电极，插入在多个压电层之间并层压为交替地形成阳极和阴极。
【专利说明】多层压电元件
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年9月17日提交的韩国专利申请序列号10-2013-0112206的 权益，通过引用将其全部内容结合于此。
【技术领域】
[0003] 本公开涉及多层压电元件。
【背景技术】
[0004] 最近，根据多媒体设备的发展和电子装置的集中，已开发出多功能的高端便携式 电子设备。该些便携式设备具有通过各种功能之中的振动力实现触觉的感知的触觉压电元 件化aptic piezoelectric element),并且使用触觉压电元件作为在驱动诸如游戏或文本 输入的各种应用时为用户提供H维触摸的方法。
[0005] 当前，包括智能电话的移动设备大部分使用触摸屏执行文本输入和应用程序。在 过去，主要使用通过利用在触摸触摸屏时施加的电流产生的驱动电压驱动嵌入移动设备中 的振动电机来实现触觉功能的方法，但在最近的高端移动设备中触摸屏已快速地由压电元 件取代，因为与低成本相比触摸屏具有低反应速度。
[0006] 通过将电压施加至压电材料而在两个电极之间（即，阳极和阴极）形成电场来操 作压电元件，该导致由于通过电场的移动而在压电材料内部产生的双极子（dipole)而引 起的结构的变形，并且由于通过结构变形引起的在纵向方向或截面方向上的机械位移而产 生振动。
[0007] 压电元件可实现即时（immediate)触觉功能，因为压电元件在将电信号转换成机 械位移时反应速度比传统振动电机快几倍。
[0008] 然而，由于在补充各种类型的模块结构W调整压电元件的机械位移时才能实现期 望类型的振动力并且组成压电元件的压电材料需要高操作电压，所W难W在移动设备的受 限操作电压下实现高振动力。
[0009] 因此，目前，需要开发一种用于实现高振动力同时减小整体操作电压的压电元件。
[0010] 专利文献1 ;日本专利公开公布No. 2013-016548
【发明内容】
[0011] 已开发本公开W便克服传统多层压电元件中出现的各种缺点和问题，并且因此本 技术的目标是提供能够通过调整压电层的厚度来同时满足相对位移特性和可靠性的多层 压电元件。
[0012] 此外，本公开的另一个目标是提供能够在调整压电元件的压电层的厚度时通过调 整压电层的截面方向上分布的颗粒尺寸来同时满足相对位移特性和可靠性的多层压电元 件。
[0013] 根据为实现该目标的本公开的一个方面，提供了一种多层压电元件，其包括；多个 压电层；w及插入在多个压电层之间并层压为交替地形成阳极和阴极的内部电极，其中，压 电层具有约15 y m至约100 y m的厚度。
[0014] 在实施方式中，内部电极的厚度之和与压电元件的整个厚度的比例小于约12%。
[0015] 在另一个实施方式中，在多个压电层与内部电极之间的界面上形成非压电界面 层，内部电极和非压电界面层可形成为非活性层（inactive layer),并且当内部电极和非 压电界面层的厚度之和是非活性层的厚度时，非活性层的厚度与多层压电元件的整个厚度 的比例小于约12%。
[0016] 此外，当非活性层的比例是非活性层的厚度与多层压电元件的整个厚度的比例 时，非活性层的比例由W下等式确定：
[0017] mA
[001引非活性层的比例=((内部电极的厚度+非压电界面层的厚度）x层数）/压电元 件的整个厚度（T)。
[0019] 在另一个实施方式中，多层压电元件的整个厚度小于约1.5mm，并且多个压电层的 层数为大约3至大约100。
[0020] 在另一个实施方式中，当颗粒边界长度增加时，压电层的颗粒尺寸形成为具有满 足约90 %或更多的压电层的相对位移特性的电荷移动路径，并且颗粒尺寸满足W下等式或 者由W下等式确定：
[00川 等式 G";ax
[0022] -7=^ <0.51 yt
[0023] 其中，Gmax是位于通过沿垂直方向切割压电层获得的横截面的垂直线H上的颗粒 的最大颗粒的长轴长度，并且t是压电层的厚度。
[0024] 在一个实施方式中，颗粒的长轴长度Gmax是大约1 y m至大约2 y m。
[0025] 同时，根据为实现该目标的本公开的另一方面，提供了一种多层压电元件，其包 括；多个压电层；W及插入在多个压电层之间并层压为交替地形成阳极和阴极的内部电 极，其中，压电层具有约15 y m至100 y m的厚度，并且在压电层中组成压电层的颗粒的最大 颗粒的长轴长度是约1 y m至约2 y m，其中，在压电层的厚度范围内的相对位移特性与标准 多层压电元件的位移特性相比满足约95%或更多，并且在压电层的颗粒尺寸范围内的相对 位移特性与标准多层压电元件相比满足约90 %或更多。
[0026] 在一个实施方式中，颗粒尺寸满足W下等式或者由W下等式确定：
[0027] 望式
[0028] -r^ <0-51 V t
[0029] 其中，Gmax是位于通过沿垂直方向切割压电层获得的横截面的垂直线H上的颗粒 的最大颗粒的长轴长度，并且t是压电层的厚度。
[0030] 此外，在某些实施方式中，内部电极的厚度之和与压电元件的整个厚度的比例小 于约12%，并且非活性层的厚度之和（其是内部电极的厚度和非压电界面层的厚度之和） 与压电元件的整个厚度的比例小于约12%。
[0031] 当非活性层的比例是非活性层厚度与多层压电元件的整个厚度的比例时，非活性 层的比例由W下等式确定：
[0032] 望孟
[0033] 非活性层的比例=((内部电极的厚度+非压电界面层的厚度）X层数）/压电元 件的整个厚度（T)。
[0034] 在本公开的另一个实施方式中，多层压电元件包括多个压电层W及插入在多个压 电层之间并层压为交替地形成阳极和阴极的内部电极。内部电极包括Ag/Pd合金。内部电 极可包括形成在内部电极的相对主表面（opposing main SU计ace)上的非压电界面层。非 压电界面层可W是内部电极的Ag/Pd合金与压电层的陶瓷材料的反应产物。在某些实施方 式中，界面层包括 PdPbO、PdO、Ag/Pd-Pb 或 Ag-PZT。
[0035] 在某些实施方式中，压电层的颗粒尺寸形成为具有当与具有1mm厚度的压电层的 标准多层压电元件的位移特性相比时满足95%或更多的压电层的相对位移特性的电荷移 动路径。
[0036] 在某些实施方式中，内部电极的厚度之和与压电元件的整个厚度的比例的范围为 从2%至小于12%。
【专利附图】
【附图说明】
[0037] 从W下结合附图进行的实施方式的描述中，本发明的总体发明构思的该些和/或 其他方面和优点将变得显而易见并且更容易理解。
[0038] 图1是应用于根据本公开的实施方式的多层压电元件的截面图。
[0039] 图2是图1的压电元件的部分放大截面图。
[0040] 图3A和图3B是在施加相同的驱动电压时用于与单层压电元件比较位移特性的多 层压电元件的示意图，其中，图3A示出了单层压电元件；图3B示出了多层压电元件。
[0041] 图4A和图4B是按照根据本公开的多层压电元件的层数的调整的压电层的厚度的 比较示意图，其中，图4A示出了具有85um的厚度的压电层的多层压电元件；图4B示出了 具有4ym的厚度的压电层的另一个多层压电元件。
[0042] 图5是根据本公开的多层压电元件的层间（interlayer,夹层）放大截面图。
[0043] 图6A和图6B是根据本公开的多层压电元件中的压电层的厚度的压电层的截面 图，其中，图6A示出了具有30ym的厚度的压电层；图6B示出了具有Sum的厚度的压电 层。
【具体实施方式】
[0044] 通过参照示出本公开的示例性实施方式的附图进行的W下详细描述，将清楚地理 解关于包括用于根据为实现目标的本公开的多层压电元件的目标的技术构造的操作效果 的内容。
[0045] 首先，图1是根据本公开的实施方式的多层压电元件的截面图，并且图2是图1的 压电元件的部分放大截面图。
[0046] 如示出的，根据本公开的多层压电元件100由通过层压多个压电层110形成的层 压体组成，并且内部电极121和122层压在多个压电层110上，从而多个压电层110和内部 电极121和122交替地布置。在一个实施方式中，对于内部电极121和122,阳极内部电极 121和阴极内部电极122交替布置在多个压电层110上。
[0047] 多个压电层110可由陶瓷材料制成并且使用精细陶瓷粉末制备成板状陶瓷片的 形式。由陶瓷片形成的每个压电层110可由通过使用点刀片方法（dot blade method)将 与粘合剂等混合的浆料（slurry)状态的陶瓷粉末涂敷成平板形状并且通过预定温度和时 间的烧纸过程烧结浆料来获得的烧结的陶瓷片形成。在某些实施方式中，烧结的陶瓷片具 有其中不规则的颗粒111彼此连接同时在其之间形成边界的截面形状。
[004引每个压电层110通过层压如该样制备的多个烧结的陶瓷片形成，并且压电层110 形成层压体W通过电压的施加在纵向或截面方向上产生位移。该时，施加至通过层压压电 层110形成的层压体的电压通过布置在压电层110上的内部电极121和122来施加。
[0049] 内部电极121和122由具有良好导电性的金属材料制成并且主要由Ag/Pd合金金 属材料制成。此外，内部电极121和122可通过丝网印刷方法等形成在组成压电层110的 陶瓷片上。该些内部电极121和122分别在通过层压多个压电层110形成的层压体中形成 阳极和阴极，并且与压电层110交替地反复层压W构成具有极性的压电元件。
[0050] 此外，布置在压电层110之间的内部电极121和122交替地形成阳极和阴极，并且 将具有相同的极性的内部电极121和122彼此电连接。相应极性的内部电极121和122通 过引线（lead wire)电连接至阳极端子131和阴极端子132。
[0051] 在某些实施方式中，在其上没有内部电极的压电层可额外地层压在最上层和最下 层W在层压压电层110时保护暴露的内部电极121和122。并且多层压电元件可通过在除 了暴露于外部的阳极端子131和阴极端子132之外的压电元件的外部外围表面涂覆绝缘材 料来制造W保护元件免于湿气（moisture)和外部环境。
[0052] 当如上配置的本公开的多层压电元件100配置触觉压电元件时，优选的是压电元 件的整个厚度T是约100 y m至约1. 5mm，并且压电层110的层数是约3至约100。多层压 电元件100的性能通过压电层的厚度t来确定，压电层的厚度t通过在压电元件的整个厚 度T的范围内调整压电层的层数来确定。
[0053] 在此，在压电元件的整个厚度T的范围内的压电层110的层数被定义为除了最上 层和最下层的压电层之外的压电层的层数，该最上层和最下层的压电层被额外地层压W在 层压压电层110时保护暴露于最上层和最下层的内部电极121和122。
[0054] 更具体地，因为本公开的多层压电元件100主要通过组成用于驱动振动电机的压 电致动器来安装至便携式设备（诸如智能电话或平板PC)或相机，所W根据便携式设备的 变薄的趋势，多层压电元件100的整个厚度T被限制在约1. 5mm的最大值的范围内，并且优 选的是多层压电元件100被设计成通过改善在受限厚度内的相对位移特性来最大化振动 力并且允许压电层的厚度t满足可靠性同时保持相对位移特性。
[0055] 在此，压电层的厚度t的可靠性标准如下；在一个周期是向由多个压电层110 W及 内部电极121和122组成的压电元件施加电压的时间为0. 5砂并且不向压电元件施加电压 的时间为0. 5砂的假设之下，当针对本公开的多层压电元件100重复106个周期时，不会出 现层间短路（interlayer short)并且保持良好的状态。
[0056] 该样，可W通过将驱动电压设置为较高来在多层压电元件100的受限厚度内改善 位移特性W改善振动力。
[0057] 目P，通过阳极端子131和阴极端子132施加的驱动电压越高，多层压电元件100 的位移越大，但因为由于便携式设备的特性导致施加至压电元件的电压通常被限制为小于 200V，所W仅通过将驱动电压设置为较高并不能获得期望的位移特性。
[0058] 该时，施加至多层压电元件100的电压应被限制的原因是电压可通过驱动1C被放 大高达几kV，但是压电元件和便携式设备不能在高于参考值（通常，220V至250V)的电压 下操作。
[0059] 此外，为了在施加至多层压电元件100的驱动电压被限定为小于200V的状态下改 善位移特性，与标准多层压电元件相比，优选地通过调整多个压电层110的厚度来将相对 位移特性保持在95 %或更多。
[0060] 如果压电层110的厚度t较小，则多层压电元件100的多个压电层110即使在低 驱动电压下也可具有高位移特性。因此，在多层压电元件100的整个厚度T是相同的状态 下，可W通过增加压电层110的层数来减少压电层的厚度t而在小于200V的受限驱动电压 内改善位移特性。
[0061] 通过采用图3A和图3B中的单层压电元件和多层压电元件的比较视图作为实例来 具体描述关于此的原理，当单层压电元件（图3A)和多层压电元件（图3B)具有如图3A和 图3B所示的相同的整个厚度T时，可W理解根据压电层的厚度t的位移特性与施加电压的 关系。
[0062] 目P，实际施加至图3A中的单层压电元件与施加至图3B中的其中压电层的厚度为 t的的九层多层压电元件的电场V/T之间存在九倍的差异。
[0063] 当相同的驱动电压被施加至两个压电元件（图3A和图3B)时，多层压电元件（图 3B)可具有大于单层压电元件（图3A)九倍的位移，并且当实现相同的位移时，可向多层压 电元件（图3B)施加低于单层压电元件九倍的电压。
[0064] 因此，将理解，当多层压电元件100的整个厚度T与单层压电元件（图3A)相同时， 通过增加压电层110的层数W减少压电层的厚度t来改善位移特性。
[0065] 在此，图3A和图3B是在施加相同的驱动电压时用于与单层压电元件比较位移特 性的多层压电元件的示意图。
[0066] 同时，图4A和图4B是按照根据本公开的多层压电元件的层数的调整的压电层的 厚度的比较示意图，并且图5是根据本公开的多层压电元件的层间放大截面图。
[0067] 如示出的，本公开的多层压电元件100通过由多个压电层110 W及交替层压在压 电层110之间的阳极和阴极内部电极121和122组成的层压体构成。如上所述，当整个厚 度T是相同的时，通过层数的调整W减少压电层110的厚度t来改善多层压电元件100的 位移特性。在此，因为参照图1详细地描述了多层压电元件100的除压电层110和内部电 极121和122 W外的结构，所W将省去重复的描述。
[006引参照图4A、图4B和图5,当多层压电元件100的整个厚度T保持相同时，通过根据 具有压电特性的压电层110与具有非压电特性的内部电极121和122的总合的比例来确定 压电层的厚度t的范围。
[0069] 关于根据作为用于限制压电层的厚度t的范围的变量的内部电极的比例的位移 特性的关系，当图4A和图4B的多层压电元件具有相同的390ym的整个厚度时，因为内部 电极121和122的层数与压电层110的层数成比例增加，所W具有非电气性质的内部电极 121和122的总厚度与压电元件的整个厚度T的比例增加，因此使压电元件的位移特性劣 化。
[0070] 在图4A和图4B中，当图4A和图4B中示出的四层多层压电元件（图4A)和八层 多层压电元件（图4B)具有相同的整个厚度T (390 ym)时，压电层的厚度t可分别是85 ym 和4 y m，并且根据压电层的厚度t可分别施加75V和3. 5V的电压来驱动四层多层压电兀件 和八层多层压电元件W具有相同的位移。
[OCm] 在图4A的四层多层压电元件中，内部电极121和122的层数是5并且因此压电元 件中的内部电极的厚度之和是10 y m，并且具有非压电特性的内部电极121和122的厚度之 和与压电元件的整个厚度T的比例是2.6% (10 ym/390ym)。在该种情况下，假设内部电 极121和122作为具有2 y m厚度的典型的厚膜形成在压电层110上。
[0072] 此外，在图4B的八层多层压电元件中，内部电极121和122的层数是8并且因此 压电元件中的内部电极的厚度之和是162 ym，并且具有非压电特性的内部电极121和122 的厚度之后与压电元件的整个厚度1'的比例是41.5%(162^111/390^111)。
[007引当比较它们时，在组成多层压电元件100的压电层的厚度t从85 y m减少到4 y m 的情况下，在相同的电场下的层数增加并且因此压电元件的驱动电压从70V减少到3.5V， 但具有非压电特性的内部电极121和122的厚度之和的比例从小于3%增加到大于41%并 且压电元件中具有压电特性的压电层110的比例减小。因此，难W预期期望的位移特性。
[0074] 参照W下表1查看根据本公开的多层压电元件100的仿真结果，因为可W理解压 电元件的相对位移从当多层压电元件中具有非电气性质的内部电极121和122的总合的比 例超过12%时的点开始减少到小于95%，所W优选的是调整压电层的厚度tW使得内部电 极121和122的厚度之和与压电元件的整个厚度T的比例保持在小于12%。
[0075] 同时，在如图5所示的本公开的多层压电元件100中，因为插入压电层110之间的 内部电极121和122主要由Ag/Pd合金金属材料制成，所W可通过在内部电极121和122 与压电层110之间的界面上的化学反应来产生具有非压电特性的非压电界面层140。
[007引因此，因为由非压电界面层140 W及内部电极121和122组成的非活性层的比例 根据压电层110的厚度的减少W及压电层110的层数的增加（如图4B)而快速增加，所W 相对位移特性会显著劣化。
[0077] 在此，在多层压电元件100的操作过程中，可通过内部电极121和122的Ag/Pd合 金金属材料与压电层110的陶瓷材料之间的界面反应在非压电内部电极121和122的两个 表面上形成具有相当低的压电常数的2 y m的最大厚度的非压电界面层140。非压电界面层 140可主要由如PdPbO、PdO、Ag/Pd-Pb和Ag-PZT的材料制成。
[007引在该种情况下，依据内部电极121和122 W及非压电界面层140的厚度的总合的 非活性层与多层压电元件100的整个厚度T的比例通过W下等式1来计算。
[0079] 在W下等式1中，非活性层的比例是非活性层的厚度与多层压电元件的整个厚度 的比例。
[0080] [等式 1]
[0081] 非活性层的比例=((内部电极的厚度+非压电界面层的厚度）X层数）/压电元 件的整个厚度（T)
[0082] 当使用上述等式1计算本公开的多层压电元件100的非活性层的比例时，具有如 W下表1中的相对位移特性的压电层的厚度t可被限制并且压电层110的层数可通过在压 电层的厚度t的范围内考虑多层压电元件的整个厚度T来设计。
[0083] [表 1]
[0084]
【权利要求】
1. 一种多层压电兀件，包括： 多个压电层；以及 内部电极，插入在所述多个压电层之间并层压为交替地形成阳极和阴极，其中，所述压 电层具有15μm至100μm的厚度。
2. 根据权利要求1所述的多层压电元件，其中，所述内部电极的厚度之和相对于所述 压电元件的整个厚度的比例小于12%。
3. 根据权利要求1所述的多层压电元件，其中，在所述多个压电层与所述内部电极之 间的界面上形成非压电界面层，并且所述内部电极和所述非压电界面层形成为非活性层。
4. 根据权利要求3所述的多层压电元件，其中，所述非活性层的厚度相对于所述多层 压电元件的整个厚度的比例小于12%，其中，所述内部电极的厚度和所述非压电界面层的 厚度之和是所述非活性层的厚度。
5. 根据权利要求4所述的多层压电元件，其中，当所述非活性层的比例是所述非活性 层的厚度相对于所述多层压电元件的整个厚度的比例时，所述非活性层的比例由以下等式 确定： 非活性层的比例=((内部电极的厚度+非压电界面层的厚度）X层数）/压电元件的 整个厚度（T)。
6. 根据权利要求1所述的多层压电元件，其中，所述多层压电元件的整个厚度在 100μm至I. 5mm之间。
7. 根据权利要求6所述的多层压电元件，其中，所述多个压电层的层数是3至100。
8. 根据权利要求1所述的多层压电元件，其中，所述压电层的颗粒尺寸形成为具有当 与具有Imm厚度的压电层的标准多层压电元件的位移特性相比时满足所述压电层的相对 位移特性为90 %或更多的电荷移动路径。
9. 根据权利要求8所述的多层压电元件，其中，所述颗粒尺寸满足以下等式： 等式
其中，Gmax是位于通过沿垂直方向切割所述压电层获得的截面的垂直线H上的所述颗 粒的最大颗粒的长轴长度，并且t是所述压电层的厚度。
10. 根据权利要求9所述的多层压电元件，其中，所述颗粒的所述长轴长度Gmax是 1μm至 2μm〇
11. 根据权利要求9所述的多层压电元件，其中，当所述压电层的厚度大于40μm时，所 述颗粒的所述长轴长度Gmax是Ιμπι至3μηι。
12. 根据权利要求9所述的多层压电元件，其中，当所述压电层的厚度是60μπι至 100μm时，所述颗粒的所述长轴长度Gmax是Ιμ--至4μηι。
13. -种多层压电兀件，包括： 多个压电层；以及 内部电极，插入在所述多个压电层之间并层压为交替地形成阳极和阴极，其中 所述压电层具有15μπι至IOOym的厚度，并且其中， 在所述压电层的厚度的范围内的相对位移特性与标准多层压电元件的位移特性相比 满足95 %或更多，并且在所述压电层的颗粒尺寸范围内的相对位移特性与所述标准多层压 电元件的位移特性相比满足90 %或更多，其中， 在所述标准多层压电元件中，压电层的厚度是Imm并且颗粒的长轴长度Gmax是2μm。
14. 根据权利要求13所述的多层压电元件，其中，所述颗粒尺寸满足以下等式： 等式
其中，Gmax是位于通过沿垂直方向切割所述压电层获得的截面的垂直线H上的所述颗 粒的最大颗粒的长轴长度，并且t是所述压电层的厚度。
15. 根据权利要求13所述的多层压电元件，其中，所述内部电极的厚度之和相对于所 述压电元件的整个厚度的比例小于12%。
16. 根据权利要求13所述的多层压电元件，其中，非活性层的厚度之和相对于所述压 电元件的整个厚度小于12%，其中，所述非活性层的厚度之和是所述内部电极的厚度和非 压电界面层的厚度之和。
17. 根据权利要求16所述的多层压电元件，其中，当所述非活性层的比例是所述非活 性层的厚度相对于所述多层压电元件的整个厚度的比例时，所述非活性层的比例由以下等 式确定： 非活性层的比例=((内部电极的厚度+非压电界面层的厚度）X层数）/压电元件的 整个厚度（T)
18. 根据权利要求14所述的多层压电元件，其中，通过陶瓷粉末的颗粒细化程度以及 使用所述陶瓷粉末的陶瓷烧结体的烧制温度和烧制时间来调整所述颗粒尺寸，所述陶瓷粉 末是所述压电层的制备材料。
19. 根据权利要求13所述的多层压电元件，其中，所述多层压电元件的整个厚度是 100μm至I. 5mm。
20. 根据权利要求13所述的多层压电元件，其中，所述多个压电层的层数是3至100。
21. 根据权利要求13所述的多层压电元件，其中，组成所述压电层的所述颗粒的最大 颗粒的长轴长度Gmax是Ιμπι至2μηι。
22. -种多层压电兀件，包括： 多个压电层；以及 内部电极，插入在所述多个压电层之间并且层压为交替地形成阳极和阴极，其中，所述 内部电极包括Ag/Pd合金。
23. 根据权利要求22所述的多层压电元件，其中，所述内部电极包括形成在所述内部 电极的相对主表面上的非压电界面层。
24. 根据权利要求23所述的多层压电元件，其中，所述非压电界面层是所述内部电极 的Ag/Pd合金与所述压电层的陶瓷材料的反应产物。
25. 根据权利要求24所述的多层压电元件，其中，所述非压电界面层包括PdPbO、PdO、 Ag/Pd-Pb和Ag-PZT。
26. 根据权利要求22所述的多层压电元件，其中，所述压电层的颗粒尺寸形成为具有 当与具有Imm厚度的压电层的标准多层压电元件的位移特性相比时满足所述压电层的相 对位移特性为95 %或更多的电荷移动路径。
27. 根据权利要求22所述的多层压电元件，其中，所述内部电极的厚度之和相对于所 述压电元件的整个厚度的比例的范围为从2%至小于12%。
【文档编号】H01L41/083GK104465982SQ201410454085
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】金范锡, 朴喜婵, 徐正旭 申请人:三星电机株式会社