片型化多层（独石）压电陶瓷变压器及其应用
COMPACT MULTILAYER (MONOLITHIC)PIEZOELECTRIC CERAMIC TRANSFORMER AND ITS APPLICATION

摘 要：片型化多层（独石）压电陶瓷变压器利用压电陶瓷材料所具有的特性，实现了变压器元件的片型化、高效率、安全稳定性。采用多层独石工艺制成的压电陶瓷变压器已广泛应用于笔记本电脑、手机、PDA、便携式DVD等信息产品中。
关键词：片型化、多层（独石）、压电陶瓷变压器

1 概述
随着现代化科学技术的发展，特别是电子信息产业的高速发展，大型综合化和小型集成化是信息产品的两大发展方向。在小型集成化方面，电子产品的小型化、高效率、节能性及安全稳定性等方面受到人们的高度重视。如笔记本电脑、PDA、数码相机、手机、液晶TV等正向着薄型化、高效率、节能型的方向发展，因而对电子元器件特别是变压器提出了更高的要求。近年来，蓬勃发展起来的表面安装技术（SMT）极有力地推动了电子元器件行业的发展，各种微型封装的集成电路、片式电阻、片式电容、片式电感相继问世，组成了片式元件（SMD）的大家族。唯有变压器，由于铁磁式的磁路设计要求，电流方向必须与磁场方向正交，即线圈平面与闭合磁路平面正交，必须构成一个立方体，很难做到片型化，在一定程度上制约了电子信息产品（特别是便携式）向高效化及短、小、轻、薄方向的发展。
采用压电陶瓷材料制成的多层压电陶瓷变压器，利用压电陶瓷具有的电-机-电的能量转换机理，改变了传统式绕线变压器所采用的电-磁-电能量转换机理，电能与机械能可以设置在同一平面上进行转换，因而可以实现变压器的片型化，使国际上电子元器件行业所关注的变压器片式化问题得到解决。
压电陶瓷变压器具有机械能和电能之间能量转换特性，组成的片型化多层（独石）压电陶瓷变压器与传统式的绕线式变压器比较，具有高效率（效率提高10%以上、从而大幅节约电力，延长便携机的电池使用寿命）、薄型化、无电磁干扰、不易燃、安全稳定简化电路设计、重量轻等优点，升压比也比绕线变压器高。由于压电陶瓷变压器是以谐振方式工作，只有在一些特定的频率下才会有较大的电压增压，因此必须用最合适的驱动回路和控制回路，组合而成各类薄型化液晶显示屏背景灯光电源，也可组成低电流高压电源，组成各类薄型化充电器及压电陶瓷的系列产品。

2．压电陶瓷变压器及其制备方法
2．1 压电陶瓷变压器的特征
压电陶瓷变压器是利用陶瓷材料具有机械能与电能间能量转换特性而制成，其基本原理是利用输入电压的激发使压电陶瓷片处在共振状态，再由输出端电极利用正压电效应将高应变产生的机械能换成电能而达到变压的效果。
在自然界的32种晶体点群中，分为中心对称和非中心对称两大类，在非中心对称类型中又分为极性和非极性两种。32种晶体点群中有20种为非中心对称（432类型除外），它们都具有压电效应，在压电体内有相当一部分为铁电体。铁电体具有自发极化，而且自发极化可以随外电场而取向，凡是铁电体都必然是压电体。自发极化方向可以随外电场的作用而变化，所有的压电材料都具备这个性质，因而各向同性的多晶材料-陶瓷，可以通过施加外电场的方式使得晶体内部电畴做到取向一致，即极化，而实现材料特性的各向异性。
在一个极化好的陶瓷件上施加一个正压力，由于形变的作用改变了自发极化的偶极距，使得原在外电极上平衡瓷体内部束缚电荷的自由电荷产生变化，多余的电荷流入所连接的电路，这种由"压"而产生"电"的现象就是压电效应（即正压电效应）。现在压电现象应用比较广泛，如打火机、家用燃气灶点火器，都是通过对压电陶瓷体施加一个冲击力而产生电火花来点燃可燃气体。
当给压电陶瓷体施加一个与极化方向相同（或相反）的电场时，由于电场方向与极化方向相同（或相反），起着极化强度增大（或减小）的作用，使压电陶瓷体引起沿极化方向增长（或缩短）产生应变与应力。该应力与应变可以作用在外界物体或传播介质上，这就是逆压电效应。这种效应已用在如声纳、蜂鸣器、超声雾化器等方面。
若将逆压电效应与正压电效应组合起来，在压电陶瓷的一部分上施加一个正弦交变电场，使瓷体产生机械简谐振动。若交变频率与瓷体的固有谐振频率相同，则瓷体产生机械共振，达到最大的振幅，产生了应力与应变，当这个机械共振的纵驻波传导至压电陶瓷的另一部分时，因应力波的作用，在瓷体上由正压电效应产生一相应频率的电荷输出，压电陶瓷变压器就是根据这个原理制成的。
压电变压器是七十年代发展起来的新型电子变压器。它是用铁电陶瓷材料经烧结、高压极化等工艺制造而成，早期使用钛酸钡材料，升压比很低，实用价值不大，随着锆钛酸铅等高KP和高Qm压电陶瓷材料的出现，压电变压器的研制才取得了显著进展。
压电变压器有工作在超音频范围的升压压电变压器，也有工作频率为工频的降压压电变压器。与传统的铁芯绕线电磁变压器相比，具有体积小、重量轻、使用时不会击穿、变压器本身耐高温不会燃烧、不引起电磁干扰，且结构简单，制作工艺简便，易大批生产等优点，和普通电磁变压器一样，压电变压器具有电压变换，阻抗变换和电流变换等特性。
压电变压器（Piezoelectric Transformer）根据其形状、电极和极化方向不同而有各种结构，其中长条片形结构的Rosen型压电变压器最为常用。它结构简单制作容易，并且有较高的升压比，其基本结构如图1所示。

八十年代后期，随着电子工业的不断发展，要求电子元器件向片型化及小型化方向发展，国内外研究人员开始研究多层压电变压器（Multilayer Piezoelectric Transformer， MPT）。多层压电变压器的应运而生，不仅可以减少占用的空间，节省材料，还能提高升压比和输出功率。Rosen型升压多层压电变压器的结构如图2所示。图2 Rosen型升压多层压电变压器的结构图。

从图中可以看出，多层压电变压器的L/t比值远大于普通单层的压电变压器，根据式（1）可知，多层压电变压器的升压比可以有很大提高，同时由于多层共烧形成独石结构还可以显著改善压电变压器的整体强度。
整个压电变压器可以分成两部分（见图1）：图中左半部分的上、下两面都有烧渗的银电极，沿厚度方向极化，作为输入端，称为驱动部分；右半部分的右端也有烧渗的银电极，沿长度方向极化，作为输出端，称为发电部分。当正弦交变电压加到压电变压器的输入端（驱动部分），并且输入电压的频率达到压电变压器纵向振动的谐振频率时，通过逆压电效应，使压电变压器产生沿长度方向的伸缩振动，输入的电能转换为机械能；而发电部分通过正压电效应，机械能转换为电能，产生电压输出。由于压电变压器的长度大于厚度，故输入端为低阻抗，输出端为高阻抗，用来达到升压的目的，因此压电变压器的输出电压大于输入电压，一般输入几伏到几十伏的交变电压，就可以获得几千伏以上的高压输出。
压电变压器本质上是一种压电换能器，但其特性复杂，不仅与其本身有关，还与所连接的输入输出负载及周边电路有关。因此对压电变压器的等效电路，国内外的学者有许多看法，但目前还没有一种等效电路可以完全描述压电变压器的工作状态。
理论计算及实验结果表明，在空载的情况下，压电变压器的揩振时的升压比可由下式表示：

式中：为空载时输出电压与输入电压之比：Qm为材料的机械品质因数；、为材料的机电耦合系数；2L为变压器的全长；t为变压器的厚度。
由上式看出，要想得到高的升压比，除了选择高、和高Qm的材料外，还可通过改变压电变压器的长度和厚度来获得所需的升压比。
目前，Rosen型压电变压器已经形成产品，并应用于静电复印机高压电源、负离子发生器、小功率激光管电源、警用电击器高压电源及液晶显示背景光源等领域。
2．2 片型化多层（独石）压电陶瓷变压器制备
多层压电陶瓷变压器是采用独石化工艺将多个单个的压电陶瓷介质与金属共烧、极化等一系列工艺制成的。
制备工艺过程如下：
其中关键工艺：
（a）原料配方：选择独石化工艺必须对配料有较高的要求，要求瓷料烧结温度低且具有抗金属扩散的能力。现已成功采用的原料为PZT系列加入微量特种添加剂，形成四元系压电陶瓷原料，它具备独石化工艺要求而且能获得比较高的Kp值和Qm值。
（b）膜片制备：由于多层压电陶瓷变压器采用多层陶瓷薄层与电极互叠压组成，因此对陶瓷薄片的厚度要求比较精确，而且薄片不能出出针孔、厚度不均匀等现象。目前采用流延和挤膜法进行对比，选择一种比较适合的方法，同时对有机物粘结剂进行选择，现一般选择水系有机物。
（c）印制内电极：根据陶瓷原料配方的初步确定，根据电极浆料的上限使用温度应高于独石化温度，选定适合的金属内电极浆料，采用丝网印刷，保证电极厚度均匀性。
（d）烧结：根据电极的上限使用温度及低温烧结陶瓷的瓷料要求，故此我们将独石化烧成温度确定为1030℃～1080℃，并在此温度下进行陶瓷材料配方调整工作，确定独石化烧结的最佳工艺参数。
（e）极化：为适应项目产品的产业化生产，该项目技术开发过程中设计新型极化设备，采用驱动边与发电边同时极化的方法极化，并在空气中加热至高温进行居里点以上极化。

3 片型化多层（独石）压电陶瓷变压器的应用领域
3．1 液晶显示屏背光电源(或称逆变器）
由于液晶显示是一种被动发光型器件（即本身不发光，实现显示是依靠调制外界光），不带背景光源的液晶显示屏是通过反射或投射环境光束来显示，故环境光对LCD显示质量关系重大。如果要求高亮度、高清晰的显示标准，则需要配置背景光源，这样就相当稳定了，即使是在黑暗的夜晚也能达到满意的效果。当然，增加背景灯光源就增加了显示装置的功耗、体积以及重量的问题故要求背景光源功耗小且易于供电、轻且薄的平面光源，足够的均匀且可调的亮度、长寿命以及合理的光谱响应特性等。
背景灯光电源变压器是用来点亮LCD背景照明的冷阴极荧光灯（Cold Cathode Fluorescent Lamp， or CCFL），将电池低的直流电压转变为高频高电压，输出电压在灯管点亮时达到1800Vrms以上，稳定工作时约保持600 Vrms。在这种情况下，通常的电磁变压器会遇到小型化、转换效率和成本的问题，同时传统变压器存在电磁干扰大，线圈安全稳定性差等缺点。高效率和小型化的电源开始使用新型压电陶瓷变压器和优化的驱动回路，使多层式压电陶瓷变压器作为背景灯光电源能完全具备上述技术要求。

现在作液晶显示屏背光逆变器应用的片型化多层（独石）压电陶瓷变压器已形成系列化规模化生产，从0.5W到5.0W的不同规格变压器已能满足从2寸屏到14.1寸屏的各种规格液晶显示屏的要求，主要应用于第三代手机（大屏彩显）、笔记本电脑、便携式DVD、个人掌上电脑、军事上的行军路标地图、彩显便携游戏机等。对15寸到19寸台式液晶显示屏要求的双灯及多灯背光逆变器，采用5W到15W的大功率压电陶瓷变压器已能够达到样件及小批量生产。
3．2 低电流高压电源领域的应用
主要是空气清净机及空调附属空气清净机用高压电源，由于空气污染严重的影响，对此产品的需求越来越大，对复印机和传真机用低、中输出高压电源，原来用电磁式绕线变压器，由于片型化多层式压电陶瓷变压器的高效率、小型化、无电磁干扰等优点，将逐步在此领域得到广泛应用。

3．3 低变比压电陶瓷变压器的应用
低变比压电陶瓷变压器可以实现电源类产品薄型化，它利用压电陶瓷材料的特性使高压变为低压，即从市电（220V）变到12V、7.2V、3.6V等不同电子信息产品要求的电压范围。对于内置式电源可以作到10mm以下的厚度，可以上印刷电路板，对于便携式电源可以做到卡式电源，厚度小于10mm。压电陶瓷变压器自身具有产生恒流充电的特性，特别适合对笔记本电脑、手机等便携机产品的锂离子电池充电。
目前已生产出10W到20W模块化（AC-DC）电源和便携式移动电话电池充电器，其体积和重量都远远小于市场上同类性能的产品。

4 结论
采用片型化多层（独石）压电陶瓷变压器能实现电子变压器的片型化、小型化、高效率。该变压器具有功率密度高、转换效率高、体积小、重量轻等优点。成为继片式电阻、片式电容、片式电感后的又一类片型化元器件，将推动电子电路表贴技术的进一步发展。
片型化多层（独石）压电陶瓷变压器改变了传统绕线变压器的工作原理，以它的优势将广泛应用于笔记本电脑、手机、PDA、便携式DVD等信息产品中。