一种具有高功率密度的三元系弛豫铁电单晶压电变压器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电学领域，设及一种变压器，尤其设及一种具有高功率密度的=元系 弛豫铁电单晶压电变压器。
【背景技术】
[0002] 随着电子信息处理设备的微型化、集成化的迫切需要和驱动电路的日趋成熟，变 压器已从高压领域（功率通常较小）拓展到AC/DC、DC/DC转换等功率电子器件领域，运些 功率电子器件要求能够在较小体积上实现较大的功率输出，制备具有高功率密度的新型变 压器也成为近年来研究的热点。
[0003] 压电变压器是一种基于压电禪合效应，通过阻抗变换来实现电压升降的电子元器 件。与传统的电磁变压器相比，具有变压比大、转换效率高、无电磁干扰、耐高溫W及短路保 护等独特的优点。
[0004] 压电材料是压电变压器的核屯、元件，压电材料性能的好坏直接决定了变压器性能 的优劣，传统的压电变压器使用的主要是压电陶瓷，为进一步缩小其体积、提升功率密度， 迫切需要寻找新型的大功率压电材料。
[0005] W妮儀酸铅-铁酸铅（（I-X)化(Mgi/sNbw) 〇3-x化Ti〇3) ( W下简写为PMN-PT)为代 表的二元系高性能弛豫铁电单晶材料在准同型相界附近=方相区域压电性能可达压电陶 瓷材料的5-10倍，其中，压电系数d33和ds汾别可W达到2, 500pC/N、2, OOOpC/N W上，机电 禪合系数1?和k 3期可W达到90 % W上，因此，在新一代换能器、驱动器与传感器的应用中 显现出非常好的前景，也引起了科技界和工业界的广泛关注。
[0006] 申请人利用PMN-PT单晶优异的压电性能，率先报道了单层和多层Rosen型变压 器，其中单层Rosen型变压器开路升压比达到138,功率密度约为同种型式陶瓷变压器的4 倍，转换效率可达95%。
[0007] 然而，进一步研究发现，二元系PMN-PT单晶在大功率应用时存在矫顽场较低、退 极化溫度不够高的问题，即存在发热使材料性能退化，进而引起器件失效的问题，运对于变 压器在较大功率下的应用是非常不利的。如何能够在保持高压电系数及机电禪合系数的同 时，提高机械品质因数，降低损耗，增加单晶的矫顽场W及拓宽溫度使用范围就显得非常重 要。
[000引研究表明，在二元系PMN-PT单晶的基础上，引入铜（In)元素制备S元系弛豫铁 电单晶PMN-PIN-PT，可使单晶矫顽场从2-3kV/cm增加到5kV/cm W上，退极化溫度提高至 100°C W上，单晶的机械品质因数也有所增大，S元系弛豫铁电单晶PMN-PIN-PT在超声传 感器上已经开始使用，但至今并未发现其在变压器上的相关报道。
【发明内容】
[0009] 为了解决二元系PMN-PT单晶压电变压器存在的上述问题，本发明提供一种具有 高功率密度的=元系弛豫铁电单晶压电变压器。
[0010] 本发明的目的在于提供一种具有高功率密度的=元系弛豫铁电单晶压电变压器， 所述单晶压电变压器包括压电元件，所述压电元件的材料为妮儀酸铅-妮铜酸铅-铁酸铅 (PMN-PIN-PT)单晶。
[0011] 作为本发明的一个优选实施例，所述PMN为妮儀酸铅，所述PIN为妮铜酸铅，所述 PT为铁酸铅。
[0012] 作为本发明的一个优选实施例，所述PMN-PIN-PT的化学组成为（1-x-y) Pb(M邑1/3佩2/3)〇3- yPb(Ini/2Nbi/2)〇3-xPbTi〇3,其中，X = 0. 05-0. 50,y= 0. 05-0. 50;优选为 X 二0. 25-0. 35,y二0. 30-0. 38。
[0013] 作为本发明的一个优选实施例，所述PMN-PIN-PT位于准同型相界附近S方相区 域。
[0014] 作为本发明的一个优选实施例，所述PMN-PIN-PT的结晶学取向为长度沿[100]方 向，厚度沿[011]方向，宽度沿方向。
[0015] 作为本发明的一个优选实施例，所述压电元件包括上表面和下表面，所述上表面 包括输入部分和输出部分，所述输入部分包含至少2个输入端，所述输出部分包含至少1个 输出端，所述输出端位于所述输入端之间；所述下表面包括公共接地端。
[0016] 作为本发明的一个优选实施例，所述公共接地端为全电极。
[0017] 作为本发明的一个优选实施例，所述输入端之间可W并联连接或串联连接，并优 选为并联连接。
[0018] 作为本发明的一个优选实施例，在所述压电元件的上表面烧制电极，所述电极将 所述压电元件分割成至少=个相同的部分，分别作为变压器的输入端和输出端，分别从所 述输入端和所述输出端的上下表面引线作为所述单晶压电变压器的上下电极。
[0019] 作为本发明的一个优选实施例，所述铁电单晶材料PMN-PIN-PT沿厚度[011]方向 极化，极化方向从上表面至下表面。
[0020] 作为本发明的一个优选实施例，所述铁电单晶尺寸为：长度：宽度> 5 :1、宽度：厚 度> 3 :1。
[0021] 作为本发明的一个优选实施例，所述铁电单晶尺寸为长度宽度 (1-6) mm X厚度化 5-3) mm，优选为长度（15-18) mm X宽度（2-4) mm X厚度化 5-2) mm。
[0022] 作为本发明的一个优选实施例，所述输入端、输出端的上电极尺寸形状形同、尺寸 相等。
[0023] 作为本发明的一个优选实施例，所述输入端、输出端的上电极尺寸为：长度 4-7mm，宽度l-6mm;优选为长度5-6mm，宽度2-4mm。
[0024] 作为本发明的一个优选实施例，所述输入端与输出端的振动方向均沿长度方向。
[0025] 作为本发明的一个优选实施例，所述输入端与输出端形状相同、尺寸相等。
[00%] 作为本发明的一个优选实施例，所述输入端与输出端之间间隔0.5-2mm，如 0. 7mm，1. 8mm;优选为 0. 8-1. 5mm，女日 1. 0mm。
[0027] 作为本发明的一个优选实施例，所述单晶压电变压器采用银、金、销等中的一种或 几种组合物作为电极，优选为采用银作为电极，更优选为采用烧制的银作为电极。
[0028] 本发明利用=元系压电单晶的高居里溫度、高相变溫度、大矫顽场、高压电系数及 优越的机电禪合性能等性质获得了高的功率密度输出，最高达到50W/cm3W上，约为当前相 同类型压电陶瓷变压器的功率密度的6倍。该器件体积小、质量轻、制作简单，能够显著提 高当前压电变压器的功率密度，满足相关信息处理设备微型化与集成化的要求，是一种结 构简单、综合性能优良的功率器件。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明提供的单晶压电变