基于LTCC 技術(shù)的多層壓電汽車揚(yáng)聲器的研究

梁雪，李照，朱穎，周妤

（西安創(chuàng)聯(lián)電氣科技（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西西安，710065）

0 引言

壓電揚(yáng)聲器是利用逆壓電效應(yīng)發(fā)聲的裝置，當(dāng)壓電陶瓷片上的電極通上電壓信號(hào)時(shí)，陶瓷片會(huì)產(chǎn)生伸縮變形，且陶瓷片和振膜黏結(jié)在一起，陶瓷片驅(qū)動(dòng)振膜產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)空氣振動(dòng)產(chǎn)生聲壓，發(fā)出聲音[1-2]。和傳統(tǒng)的電聲器件相比，壓電揚(yáng)聲器外形輕薄，所需聲腔很小，且具有散熱好，壽命長(zhǎng)，無(wú)磁場(chǎng)、電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)；但是存在無(wú)磁鐵材料，高壓才能驅(qū)動(dòng)，低頻響應(yīng)不是很好，容性負(fù)載等問(wèn)題。目前汽車上的蜂鳴器都是采用壓電蜂鳴器，由于壓電揚(yáng)聲器存在的問(wèn)題致使其還未能大規(guī)模應(yīng)用到汽車揚(yáng)聲器中。

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，希望有能把汽車?yán)群推噲?bào)警器合二為一的發(fā)聲裝置，尤其對(duì)于電動(dòng)汽車，希望這一發(fā)聲裝置能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音作為車輛行駛的警示聲音。本文研究多層陶瓷結(jié)構(gòu)的壓電汽車揚(yáng)聲器，利用多層壓電陶瓷片作為振源，利用振膜推動(dòng)空氣發(fā)聲，驅(qū)動(dòng)電壓低，低頻響應(yīng)好，在低頻下也能達(dá)到較高的聲壓[3-4]，頻率穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性優(yōu)良，能夠滿足汽車不同工況下復(fù)雜的外界環(huán)境，在電機(jī)接線領(lǐng)域具有廣泛適用性。

1 基本原理

壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)。當(dāng)向壓電陶瓷片施加電壓，壓電陶瓷會(huì)拉升，但黏合的金屬板不會(huì)伸縮而是彎曲；施以反向電壓，就會(huì)向相反方向彎曲。輸入電壓方向相互變化的信號(hào)，就會(huì)反復(fù)出現(xiàn)彎曲交替狀態(tài)，產(chǎn)生聲波。壓電揚(yáng)聲器就是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)來(lái)發(fā)聲的。

多層壓電陶瓷片的工作原理如圖1 所示，設(shè)多層壓電陶瓷片每層厚度為T(mén)n，層數(shù)為N，總厚度為T(mén)。在多層壓電陶瓷片的兩端施加電壓V 時(shí)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片的變形大小ξ 與壓電材料常數(shù)d33有如下關(guān)系：

圖1 多層壓電陶瓷片工作原理

因此，相比于單層壓電陶瓷片，多層壓電陶瓷片兩端施加的驅(qū)動(dòng)電Vn=V/N。當(dāng)然，增加壓電陶瓷片的層數(shù)必然會(huì)增加壓電陶瓷片的厚度，而厚度則是壓電陶瓷揚(yáng)聲器相比于電動(dòng)式揚(yáng)聲器最大的優(yōu)勢(shì)，因此層數(shù)不可太多亦不可過(guò)少。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

2.1 多層壓電汽車揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單個(gè)多層壓電陶瓷片由電極層和壓電層交替疊壓構(gòu)成，電極層包括內(nèi)外電極，多層壓電陶瓷片的上下表面為外電極層，壓電層上加工有金屬化微孔，內(nèi)外電極通過(guò)金屬化微孔連接。壓電揚(yáng)聲器發(fā)聲單元包括兩個(gè)多層陶瓷片和金屬振膜，兩個(gè)多層陶瓷片分別粘貼于振膜上下表面，多層壓電陶瓷片和振膜上分別連接引線，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的5 層壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)如圖2 示。

圖2 5 層壓電揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)

2.2 材料選擇設(shè)計(jì)

2.2.1 壓電陶瓷

應(yīng)用于揚(yáng)聲器的壓電電聲陶瓷，要求壓電常數(shù)高，機(jī)電耦合系數(shù)高，品質(zhì)因數(shù)低。在壓電陶瓷材料體系，鋯鈦酸鉛（PZT）體系軟性壓電陶瓷d33 較大，是制作壓電揚(yáng)聲器的首選材料，其除了需要具有高的機(jī)電耦合系數(shù)、高的介電常數(shù)、低的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)外，還需要好的溫度穩(wěn)定性，以滿足低溫?zé)Y(jié)多層壓電陶瓷揚(yáng)聲器的應(yīng)用。因此，尚需要在現(xiàn)有材料體系基礎(chǔ)上進(jìn)行材料改性。

根據(jù)壓電陶瓷揚(yáng)聲器的聲壓級(jí)技術(shù)要求，本文以Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3為基礎(chǔ)體系，設(shè)計(jì)配方為0.9(0.52PbZrO3-0.48PbTiO3)-0.06Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.04Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，并進(jìn)行了摻雜改性[5]，通過(guò)固相燒結(jié)法制備了d33可達(dá)650x10-12C/N 的軟性P5 壓電陶瓷。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中采用流延法制備了單層厚度為45μm 的P5 軟性膜片，用以制作多層壓電陶瓷片。

2.2.2 電極材料

為了實(shí)現(xiàn)多層壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)要求，在生產(chǎn)工藝上通常采用Pt、Pd 等貴金屬作內(nèi)電極。使用Pt、Pd 內(nèi)電極的成本取決于陶瓷的燒結(jié)溫度，燒結(jié)溫度越高，內(nèi)電極的成本越昂貴。為了降低生產(chǎn)成本，多層結(jié)構(gòu)器件一般采用導(dǎo)電性能良好，價(jià)格較低的低含量Pd 的Ag-Pd 漿作為內(nèi)電極[6]。本文中采用軟性P5 壓電陶瓷材料，其燒結(jié)溫度在920℃左右。

通過(guò)對(duì)不同廠家，不同Pd 含量Ag-Pd 漿料與壓電陶瓷的共燒試驗(yàn)，在滿足低溫?zé)Y(jié)、不飛銀，同時(shí)成本較低的情況下選擇Pd 含量5%的Ag-Pd 漿料。

2.2.3 振膜材料

依據(jù)壓電揚(yáng)聲器的頻率和聲壓級(jí)要求，要在低頻下（~360Hz）產(chǎn)生較高的聲壓（105dB），需要選擇彈性模量較大的材料。此外，考慮到成本及壓電陶瓷和振膜的匹配性，首選振膜為彈性模量較大的鈹青銅，并使用黃銅和不銹鋼作為備選對(duì)比材料。

2.3 多層壓電汽車揚(yáng)聲器的制作

LTCC壓電汽車揚(yáng)聲器的制備工藝主要包括：制漿、流延、裁膜、打孔、絲網(wǎng)印刷和疊層（印疊）等靜壓、切割、燒結(jié)、極化、粘片、焊線、測(cè)試等工序，其工藝流程圖如圖3 所示。

圖3 LTCC 技術(shù)制備工藝流程

制漿：該工藝步驟是將復(fù)合陶瓷粉、粘合劑、增塑劑以及有機(jī)溶劑按照一定的比例配方混合，形成具有一定流動(dòng)性的漿料。該步驟在整個(gè)工藝中起到重要的作用，漿料中各個(gè)成分的比例能夠改變所流延膜片的綜合性能和成品的電性能。實(shí)驗(yàn)中采用壓電陶瓷粉料、丁酮、乙醇、PVB 等原料，通過(guò)球磨機(jī)球磨混勻24 小時(shí)獲得流動(dòng)性良好的漿料。

流延：將制備好的漿料使用流延機(jī)流延成一定尺寸（通常為6 英寸、8 英寸）的陶瓷膜片。流延工藝參數(shù)決定著膜片的厚度與均勻性，流延好的膜片附著在PET 膜帶上。實(shí)驗(yàn)中將流延漿料勻速倒入流延缸，調(diào)整好流速和刮刀刀距，在40℃左右烘干獲得壓電陶瓷膜片。

裁膜：使用裁膜機(jī)將膜帶卷裁切到一定尺寸，一般為正方形，邊長(zhǎng)通常為6 英寸、8 英寸。

打孔：利用機(jī)械沖壓、鉆孔或激光打孔技術(shù)形成通孔。通孔是在生瓷片上打出的小孔，用在不同層上以互聯(lián)電路。實(shí)驗(yàn)中使用機(jī)械打孔機(jī)在壓電陶瓷膜帶上進(jìn)行直接沖孔。

印疊：將一定黏度的金屬導(dǎo)體（金、銀）通過(guò)印刷機(jī)印刷在膜片的表面，在60℃左右進(jìn)行烘干形成電路圖形。然后，按照設(shè)計(jì)的規(guī)則將印刷好的膜片依次疊壓在一起，在一定的溫度和壓力下，膜片相互粘接在一起。實(shí)驗(yàn)中采用95/5Ag-Pb 漿進(jìn)行電極印刷，并按照設(shè)計(jì)的壓電汽車揚(yáng)聲器層數(shù)將多片印好的膜片按一定的次序疊在一起。

等靜壓：使用等靜壓機(jī)將印疊好的生坯在一定壓力、溫度下進(jìn)行溫等靜壓處理。實(shí)驗(yàn)中等靜壓壓力為14psi，溫度為62℃。

切割：將等靜壓后致密生坯通過(guò)切割機(jī)進(jìn)行切割，形成單個(gè)揚(yáng)聲器坯體。檢查坯體側(cè)面無(wú)毛邊，上下表面無(wú)壓痕、缺銀，生坯無(wú)掉角、無(wú)開(kāi)裂、無(wú)分層、電極無(wú)連通現(xiàn)象。

燒結(jié)：將生坯放在燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，在一定溫度下排除陶瓷膜片中的有機(jī)物與水分，在高溫下整個(gè)生坯燒結(jié)成瓷，在燒結(jié)工序中由于金屬導(dǎo)體與陶瓷一起共燒，其相互間的匹配性是LTCC 工藝中最需要解決的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)中將壓電汽車陶瓷揚(yáng)聲器生坯放入快速升溫爐中，升溫速度控制在0.5℃/min，燒結(jié)溫度為920℃，保溫4 小時(shí)。

極化：該工藝的作用是使陶瓷多晶體中的鐵電疇在外加電場(chǎng)作用下沿電場(chǎng)方向定向排列，由各向同性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋?，呈現(xiàn)極性，顯示出壓電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中將燒結(jié)好的多層壓電陶瓷片置于硅油中進(jìn)化極化，極化溫度90℃。

實(shí)驗(yàn)中利用LTCC 工藝技術(shù)制備了3、5、7 不同層數(shù)的多層壓電陶瓷片，設(shè)計(jì)金屬化微孔的直徑為0.3~0.8mm，壓電陶瓷片和振膜的直徑分別為50mm、75mm，制備工藝流程如圖3 示。將極化后的多層壓電陶瓷片按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行粘接，烘膠溫度小于100℃，要求方向保持一致（+.-.+.-）。實(shí)驗(yàn)制備的多層壓電陶瓷片及壓電汽車揚(yáng)聲器如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)制備的多層壓電陶瓷片及壓電汽車揚(yáng)聲器

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 壓電陶瓷性能

3.1.1 壓電陶瓷居里溫度

居里溫度Tc決定了壓電揚(yáng)聲器的工作溫度。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的壓電陶瓷制備成測(cè)試片，利用相對(duì)介電常數(shù)與溫度的變化關(guān)系曲線來(lái)測(cè)量壓電陶瓷的居里溫度。測(cè)試升溫范圍為25℃~500℃，每隔5℃記錄一次樣品的電容，計(jì)算出介電常數(shù)。圖5 為實(shí)驗(yàn)中壓電陶瓷的介電溫譜曲線，由圖可見(jiàn)其居里溫度為236℃，可以滿足揚(yáng)聲器實(shí)際的工作溫度。

圖5 壓電陶瓷介電溫譜曲線

3.1.2 壓電陶瓷綜合性能

將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的壓電陶瓷制備成測(cè)試片，930℃燒結(jié)成型，利用中科院聲學(xué)研究所的ZJ 型準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)量?jī)x進(jìn)行壓電常數(shù)的測(cè)量，利用安捷倫4291 型阻抗分析儀進(jìn)行阻抗特性測(cè)試，通過(guò)計(jì)算得到機(jī)電耦合系及數(shù)品質(zhì)因素，壓電陶瓷的具體性能如表1 所示，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的壓電陶瓷介電性能良好，燒結(jié)溫度低，滿足多層揚(yáng)聲器的制作。

表1 壓電陶瓷性能

3.1.3 多層壓電陶瓷片容值

在400Hz 頻率下，利用LCR 電橋?qū)O化后雙面粘接的多層壓電陶瓷片進(jìn)行電容值測(cè)量，具體如表2 所示，可見(jiàn)隨著層數(shù)的增加容值明顯增大，與理論一致。

表2 不同層數(shù)壓電陶瓷片的電容值測(cè)量結(jié)果

3.2 多層壓電汽車聲頻特性

在驅(qū)動(dòng)電壓為13V，測(cè)試距離2m，背景噪聲30dB的條件下，在電子靜音室對(duì)制作的3 層、5 層、7 層壓電汽車揚(yáng)聲器分別進(jìn)行聲強(qiáng)測(cè)試，聲頻曲線如圖6 所示，可見(jiàn)3 層壓電汽車揚(yáng)聲器在頻率為350Hz 時(shí)聲強(qiáng)最大可達(dá)100dB，5 層壓電汽車揚(yáng)聲器在頻率為360Hz 時(shí)聲強(qiáng)最大可達(dá)106dB，7 層壓電汽車揚(yáng)聲器在頻率為420Hz 時(shí)聲強(qiáng)最大可達(dá)102dB，對(duì)于不同層數(shù)的壓電揚(yáng)聲器不同頻段聲級(jí)有所增加，在頻率高于一定值時(shí)，聲強(qiáng)明顯衰減。隨著層數(shù)增大，低頻下聲強(qiáng)并未隨層數(shù)增加呈明顯增強(qiáng)趨勢(shì)，可見(jiàn)層數(shù)不可太多。實(shí)驗(yàn)中制作的5 層壓電揚(yáng)聲器在低頻下具有較高的聲強(qiáng)。

圖6 不同層數(shù)壓電揚(yáng)聲器的聲強(qiáng)-頻率曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3體系的壓電陶瓷，具有較高的壓電常數(shù)和居里溫度，同時(shí)具有良好的機(jī)電性能。文中設(shè)計(jì)了多層結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷芯片，在較低驅(qū)動(dòng)電壓下可獲得較高的聲強(qiáng)。利用LTCC 工藝技術(shù)制備了多層壓電陶瓷片，一定程度減小了壓電揚(yáng)聲器的體積。對(duì)不同層數(shù)的多層壓電汽車揚(yáng)聲器聲頻特性測(cè)試結(jié)果表明，多層結(jié)構(gòu)的壓電汽車揚(yáng)聲器低頻特性較好，其中，5 層壓電汽車揚(yáng)聲器性能最佳，在頻率為360Hz 時(shí)聲強(qiáng)最大，可達(dá)106dB。