一种增强压电陶瓷片中陶瓷片与表面电极层连接强度的方法

摘要

本发明涉及一种增强压电陶瓷片中陶瓷片与表面电极层连接强度的方法，包括：使压电陶瓷片上下表面中至少一面上形成相互平行分布的凹槽的同时去除电极层，然后在压电陶瓷片的形成凹槽的表面再镀表面电极层，以增强压电陶瓷片中表面电极层与陶瓷片间的连接强度，所述凹槽的深度大于表面电极层的厚度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种增强压电陶瓷片中陶瓷片与表面电极层连接强度的方法，具体涉及压电陶瓷与电极金属层的连接，特别是涉及压电陶瓷片-电极层金属层结合面、陶瓷片-粘结剂-陶瓷片结合面的牢固程度、可靠性，属于压电陶瓷领域。

背景技术

利用压电陶瓷的压电效应，可以设计制造各种用途的器件。如用于电声器件中的陶瓷扬声器、送话器、拾声器；用于水下通讯和探测的水声换能器，鱼群探测器；用于雷达、电视机以及计算机中的陶瓷表面波器件和陶瓷变压器；用于导航中的压电加速度计和压电陀螺；用于通讯和遥测设备中的陶瓷滤波器和陶瓷鉴频器；用于精密测量中的陶瓷压力计和流量计；用于超声探伤、超声清洗、超声显像中的陶瓷超声换能器等^[1-2]。

上述压电陶瓷片元器件，使用时需有电极金属层，常常把银电极浆料，涂布于试片的上下表面，再经高温(500～600℃)烧渗工艺，在瓷片上形成银白色导电银层，以供通电之用。施加金属电极的方法有多种：烧银电极、化学镀镍电极、喷铝电极、喷铜电极、溅射金、银电极，蒸发各种金属电极等^[3-4]。

由于电极金属层的热膨胀系数、介电常数等与陶瓷材料的这些性能参数存在较大差异，若电极层与陶瓷结合不牢，经长久放置、气候变化等因素影响，常出现下列问题：电极层与陶瓷结合强度下降，电极层变色、起皮甚至脱落，压电陶瓷片不能继续使用^[5]。

另外，压电陶瓷叠层器件中，陶瓷片与陶瓷片之间的连接多采用环氧、酚醛类树脂粘结剂粘结，在时间场、交变电场、力场长时间作用下，陶瓷片与电极层之间、陶瓷片与陶瓷片之间结合不再牢固，常出现片与片脱开、陶瓷片与电极金属层脱开，导致器件失效^[6]。这些都是目前压电陶瓷集成器件在使用中较为常见的问题。

已有的报道中，在公开号为CN104788116A的中国专利《一种氧化锆基陶瓷与金属的连接件及其连接方法》中氧化锆陶瓷与金属的连接件用镍基合金作为焊料连接金属和陶瓷。专利《金属-陶瓷-基板》(中国公开号CN102421725A)中，采用直接键合(DCB方法)或活性焊料与陶瓷材料结合。专利《一种ZrO₂陶瓷与金属连接的方法》(中国公开号CN107129316A)中，是利用上下电极对金属/ZrO₂陶瓷施加一恒定直流电，通电保温后冷却到室温完成ZrO₂陶瓷与金属的连接。专利《陶瓷与金属的连接方法》(中国公开号CN102020483A)中，采用铝钎焊工艺与铝或铝合金工件连接。另外，根据DE19646676C1中压电执行器的一种可靠的触点连接结构的描述，很小的摩擦力(外应力)会导致电极从陶瓷器件上剥落，最终使陶瓷器件不可继续使用。综上，高温焊接是为了提高陶瓷与金属的连接强度，多是采用助焊剂或者合金，但焊接所需温度通常在几百度以上，工艺复杂，且仍存在陶瓷与金属层连接不牢固的问题。陶瓷片与电极金属层的连接牢固与否反映了单个陶瓷片的性能好坏，多个陶瓷片集成为器件，影响整个器件成败；就压电陶瓷片粘结的叠层器件而言，陶瓷片与片之间的连接，即陶瓷片-粘结剂-陶瓷片间的连接牢固与否直接决定了陶瓷片集成器件在实际使用中的寿命问题。

参考文献：

[1]张福学，王丽坤.现代压电学(上)[M].北京：科学出版社，2001.；

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[6]祝炳和.陶瓷电容介质的新进展.电子原件与材料，2000年增刊。

发明内容

为了克服上述陶瓷与金属层连接不牢固的问题，本发明提供了一种增强压电陶瓷片中陶瓷片与表面电极层连接强度的方法，包括：使压电陶瓷片上下表面中至少一面上形成相互平行分布的凹槽的同时去除电极层，然后在压电陶瓷片的形成凹槽的表面再镀表面电极层，以增强压电陶瓷片中表面电极层与陶瓷片间的连接强度，所述凹槽的深度大于表面电极层的厚度。

本发明中，先将上表面镀有电极层的压电陶瓷片的至少一面上形成相互平行分布的凹槽的同时去除电极层，去除的电极层是通过控制凹槽的深度大电极层的厚度，然后在压电陶瓷片的形成凹槽的表面再镀上新的表面电极层(其成分和厚度与原压电陶瓷片的电极层相同)，增大了压电陶瓷片中表面电极层和陶瓷片的接触面积，形成了牢固的结合面，且在保持陶瓷片的压电介电性能基本没有变化的同时，使得表面电极层难以剥落。

较佳地，所述凹槽的深度为0.1～0.2mm。

较佳地，所述压电陶瓷片的厚度为1～2mm。

较佳地，所述凹槽的深度和压电陶瓷片的厚度比为1：(10～15)，优选为1：10。在此范围内，可在增加接触面积的同时且不影响压电陶瓷片抗拉、抗压强度。如果凹槽深度较深，则压电陶瓷片抗拉、抗压强度下降；而凹槽深度较浅，则达不到通过凹槽来增大陶瓷与表面电极层的连接强度。

较佳地，所述表面电极层的材质为Cu、Ag、Au中的一种，厚度为0.8～1.0um。

较佳地，所述凹槽的宽度和/或相邻凹槽之间的间距为0.4～0.6mm；优选地，所述凹槽的宽度和相邻凹槽之间的间距相同。

较佳地，所述凹槽的截面为矩形、倒置梯形或圆弧形。

另一方面，本发明还提供了一种上述方法制备的表面分布凹槽的压电陶瓷片。

再一方面，本发明还提供了一种叠层，所述叠层包含至少上述的表面分布有凹槽的压电陶瓷片、以及位于相邻压电陶瓷片间的粘结层。本发明将多个表面有凹槽的压电陶瓷片(优选，上下表面都分布有凹槽的压电陶瓷片)通过粘结剂粘结起来，可以增强压电陶瓷片与片间的连接强度。

本发明所采用的一个技术方案是：用刻槽工艺使压电陶瓷片上下表面带有一定深度的凹槽，由于刻槽深度(零点几个毫米)大于电极层厚度(零点几～几十微米)，刻槽后陶瓷片上电极金属层被全部切除，然后在压电陶瓷片两个表面镀新的表面电极层(电极金属层)。实验证明，此时表面电极层(电极金属层)与表面带有凹槽的陶瓷片之间结合非常牢固，电极金属层不易剥落，且刻槽镀电极金属层后的陶瓷片的压电介电性能基本没有变化。同时，用树脂粘结剂将多片刻槽镀电极后的压电陶瓷片粘结起来成为一个叠层，并对叠层做抗拉测试，与未刻槽的多个压电陶瓷片粘结的叠层做拉力对比。本发明通过增强压电陶瓷片中陶瓷片与表面电极层的连接强度，使陶瓷片与表面电极层(电极金属层)连接更加牢固，且还使得压电陶瓷片与片之间的连接强度大幅提高。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：采用刻槽工艺，使压电陶瓷片上下表面中至少一面上形成许多凹槽(压电陶瓷片表面的电极层全部去除)，在带有凹槽的陶瓷片表面镀表面电极层。此时，陶瓷片与表面电极层的接触面不再是光滑的平面，凹槽形成的凹凸表面即表面比较粗糙，而粗糙表面的摩擦系数大大增加，由此，表面电极层与凹凸表面的陶瓷片间结合非常牢固。另外，将多个表面分布有凹槽的压电陶瓷片用粘结剂(例如树脂)粘在一起，发现表面分布有凹槽的压电陶瓷片粘结的叠层的拉力强度大大提升，这表明该法很大程度上提高了压电陶瓷片-粘结剂-压电陶瓷片间的界面连接强度，为增大压电陶瓷集成器件在电声领域中的使用年限提供一种方法。

附图说明

图1为未刻槽的压电陶瓷片部分示意图；

图2为刻槽后的压电陶瓷片部分示意图；

图3为未刻槽的压电陶瓷片粘结所成叠层中压电陶瓷片-粘结剂-压电陶瓷片结合面示意图；

图4为表面分布有凹槽的压电陶瓷片粘结所成叠层中压电陶瓷片-粘结剂-压电陶瓷片结合面示意图；

图5为表面分布有凹槽的压电陶瓷片粘结所成叠层中压电陶瓷片-粘结剂-压电陶瓷片结合面另一种可能的示意图；

图6为多个压电陶瓷片粘结的叠层的结构示意图。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明中，在上下表面镀有电极层的压电陶瓷片的至少一面(例如，上下两个表面)刻出一定深度的凹槽(刻槽同时去除电极层)，如果凹槽深度较深，则压电陶瓷片抗拉、抗压强度下降；而凹槽深度较浅，则达不到通过凹槽增大陶瓷与表面电极层连接强度，经方案优化，本发明刻槽深度为0.1～0.2mm，满足凹槽的深度和压电陶瓷片厚度的比约为1：(10～15)，刻槽后再镀表面电极层，所得压电陶瓷片性能参数维持不变。

以下示例性地说明本发明提供的增强压电陶瓷片中陶瓷片与表面电极层连接强度的方法。

在压电陶瓷片表面形成凹槽后并在表面镀电极。其中，表面电极层的材质可为Cu、Ag、Au中的一种。压电陶瓷片的厚度可为1～2mm，凹槽的深度可为0.1～0.2mm，凹槽深度和压电陶瓷片厚度的比可为1：(10～15)，优选为1：10。电极层的厚度通常是0.8～1.0μm，刻槽深度是0.1～0.2mm，凹槽的深度远大于电极层的厚度，且凹槽与凹槽间距等于或小于凹槽宽度，因此刻槽后，压电陶瓷片的电极层被切除。优选地，凹槽平行地分布在压电陶瓷片的表面。刻槽方式可采用刮刀切割、内圆或者外圆切割机。在可选的实施方式中，凹槽的宽度和/或相邻凹槽之间的间距为0.4～0.6mm。

其中，凹槽形状可以是条状、圆弧、倒置梯形等多种形状。凹槽的整体形态可为直线型或曲线型。

在表面分布有凹槽的陶瓷片表面镀上一层表面电极层，得到表面有凹槽的压电陶瓷片。其中，表面电极层可为Cu、Ag等中的至少一种。表面电极层的厚度通常也是0.8～1.0μm之间。应注意，本发明中电极层材料和厚度的选取满足导电需求即可。在压电陶瓷片表面镀表面电极层，其中，镀表面电极层是采用化学镀、磁控溅射、热蒸发或者电子束蒸发等方式中的一种。

将表面分布有凹槽的压电陶瓷片通过粘结剂相互叠加，得到叠层。其中粘结叠加的方式可以是压电陶瓷片上的凹槽相对应进行叠加，如图4所示。也可以是凹槽与凹槽错开的方式叠加，如图5所示。其中，粘结用粘结剂可以是酚醛、环氧等各类高分子树脂粘结剂，包括单组份和多组分粘结剂。作为一个示例，用树脂粘结剂将多片表面分布有凹槽的压电陶瓷片粘结起来为一个叠层，粘结方式如图6所示，并对叠层做抗拉测试，与未刻槽的多个压电陶瓷片粘结所成的叠层做拉力性能对比。

总的来说，在压电陶瓷片上下表面刻许多凹槽，刻槽同时电极层被切除，然后在压电陶瓷片表面镀电极。因此，有凹槽表面的陶瓷片与新镀的表面电极层之间形成了牢固的结合面。拉力实验证明，表面电极层附着在陶瓷片表面非常牢固。

本公开中，所得表面分布有凹槽的压电陶瓷片中陶瓷片与表面电极层的连接异常牢固，且刻槽后陶瓷片粘结的叠层中压电陶瓷片与片之间的抗拉强度也大幅提高。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

本发明选用不同规格的刀片在压电陶瓷片上刻槽镀电极并测试陶瓷片压电介电性能参数，发现选用刀片规格约0.5mm时，即凹槽宽度约为0.5mm时，刻槽后再镀电极的压电陶瓷片性能参数维持不变，且陶瓷片与表面电极层结合面抗拉强度较高。因此，下述各实施例中压电陶瓷片刻槽选用刀片规格为0.4～0.6mm。

实施例1：

将厚度1.5mm的压电陶瓷片上下两个表面刻槽后清洗，并镀铜电极层(表面电极层)，刻槽深度0.1mm，刻槽宽度0.5mm，凹槽间距约0.5mm。其中，铜电极层的制备方法为溅射蒸镀，铜电极层厚度为0.8μm。溅射是物理气相沉积中的一种，通过在(铜、银等)靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度来增加溅射率，可以在基底(如陶瓷，单晶等)上制备(铜、银等)电极金属层，得到表面分布有凹槽的压电陶瓷片。然后，将未刻槽的压电陶瓷片(上下表面分布有铜电极，厚度0.8μm)与表面分布有凹槽的压电陶瓷片各6片做铜电极金属层拉力实验对比(见表1)。

将上述未刻槽(图3)、刻槽的(图4)两种压电陶瓷片分别丝网印刷环氧树脂粘合剂，各10片粘结起来为一个叠层，粘结方式如图6和图4所示。未刻槽、刻槽的两种压电陶瓷片各做六个叠层，将其加热固化并做拉力实验对比(见表2)。

表1为两种压电陶瓷片的铜电极金属层拉力实验对比：

(备注：铜电极压电陶瓷片厚1.5mm，拉力实验接触面积为78.5mm²)。

表2为未刻槽、刻槽的铜电极压电陶瓷片粘结的叠层的拉力实验对比：

(备注：铜电极压电陶瓷片厚1.5mm，拉力实验接触面积为21.2mm ²)。

实施例2：

将厚度1.5mm的压电陶瓷片上下表面刻槽后清洗，并镀银电极层(表面电极层)，刻槽深度0.15mm，刻槽宽度0.4mm，凹槽间距约0.4mm。其中，银电极层的制备方法为溅射蒸镀，银电极层厚度约为0.8μm，得到表面分布有凹槽的压电陶瓷片。将未刻槽的压电陶瓷片(上下表面分布有银电极，厚度为0.8μm)与表面分布有凹槽的压电陶瓷片各6片做银电极金属层拉力实验对比(见表3)。

将上述未刻槽(图3)、刻槽的(图4)两种压电陶瓷片分别丝网印刷酚醛树脂粘合剂，各10片粘结起来为一个叠层，粘结方式如图6和图4所示。未刻槽、刻槽的两种压电陶瓷片各做六个叠层，将其加热固化并做拉力实验对比(见表4)。

表3为两种陶瓷片银电极金属层拉力实验对比：

(备注：银电极压电陶瓷片厚1.5mm，拉力实验接触面积为78.5mm²)。

表4为未刻槽、刻槽的银电极压电陶瓷片粘结的叠层的拉力实验对比：

(备注：银电极压电陶瓷片厚1.5mm，拉力实验接触面积为21.2mm ²)。

由表1和表3数据看出，两种表面不同电极金属层的陶瓷片，都是刻槽后电极金属层的附着力大大增强，说明表面带有凹槽的陶瓷与电极金属层结合更加牢固。由表2数据计算得出，未刻槽的压电陶瓷片粘结的六个叠层的最大载荷处压强平均值为14.6MPa，而表面分布有凹槽的压电陶瓷片粘结的叠层的最大载荷处压强平均值为23.5MPa，表面分布有凹槽的压电陶瓷片粘结的叠层抗拉强度增加了60.9％，而表4中数据计算得出表面分布有凹槽的压电陶瓷片粘结的叠层抗拉强度增加了57.9％，表明刻槽后压电陶瓷片粘结的叠层抗拉强度大大增加。

从断裂情况看，未刻槽的压电陶瓷片粘结的叠层全部为电极金属层断裂，即电极剥落，而表面分布有凹槽的压电陶瓷片粘结的叠层全部为陶瓷断裂(表2、表4)。说明该拉伸强度已经到了陶瓷被拉断的极限，而陶瓷片-粘结剂-陶瓷片结合面未断裂，表明刻槽工艺增加了该结合面的牢固程度。

综上，刻槽后再镀电极的陶瓷片-电极层结合面，以及表面分布有凹槽的压电陶瓷片粘结所成的陶瓷片-粘结剂-陶瓷片间的结合面，都是增大了界面接触面积，且增加了金属层、粘结剂的用量，多出的用量填充在与压电陶瓷片平行方向的平面内，即嵌在陶瓷里面，而不是堆积在竖直方向上，也不会导致竖直方向因电极金属层厚度太厚而出现电极易剥落的情况。同样，叠层也不会因为竖直方向胶量的增多导致粘结强度下降(胶层粘结强度与厚度成反比)。表面分布有凹槽的压电陶瓷片粘结所成的陶瓷片-粘结剂-陶瓷片间的结合面(图4、5)，这两种结合方式，在凹槽处，都增加了许多个近90度的弯角，弯角处填充满胶层，叠层器件实际使用时，竖直方向的拉应力、压应力、电场作用力，使弯角处产生一个剪切力，该力方向与竖直方向呈一定角度，这个侧面的剪切力是一个分力，会减小竖直方向的外力(加在叠层器件上的拉应力、压应力、电场作用力)大小，最终使合力减小，即作用于叠层器件粘结层的力减小。因此，叠层器件整体粘结强度大大提高。

这种刻槽工艺虽在一定程度上增加了生产成本，但在需要高精度定位的压电陶瓷电声领域，如自适应光学探测，雷达探测等，对器件牢固可靠性、耐久性方面要求很高。在这些高精尖领域应用，产生的效益远优于刻槽工艺产生的成本花费。该法是一种能够提高压电陶瓷片、压电器件牢固性的实用的、有广阔前景的方法。