多層壓電陶瓷零組件特性及其在可攜式裝置中的應用

自從皮埃爾‧居里(Pierre Curie)和雅克‧居里（Jacques Curie）兄弟在1880年首次從石英晶體中發現壓電效應後，具有壓電效應的材料不斷被開發出來。其中壓電陶瓷材料因為具備優良的壓電和機電性能，在電子資訊、機電換能、自動控制以及微機電系統等電子零組件中，得到了廣泛的應用。

壓電陶瓷同時具有壓電效應和逆壓電效應，例如打火機中的電子點火器，就是運用壓電陶瓷的壓電效應，讓壓電陶瓷塊在壓力下放電產生火花；另外，像是洗衣機中的蜂鳴器，則是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，讓陶瓷在交流電壓下產生聲音。

壓電陶瓷除了上述特性外，它還具有回應速度快、功耗低、易於小型化？薄型化、功率密度大、不產生電磁場也不受電磁場干擾等優點。

隨著手持設備的快速發展，電子資訊產品製造商對小型化、薄型化、低功耗元件的需求越來越迫切，因此如壓電揚聲器、壓電振動器、壓電馬達等各類壓電陶瓷零組件，已在可攜式裝置中獲得廠商的大量運用。

一般壓電陶瓷需要幾百V/mm的大電場加以驅動，但在手持設備裡，電壓通常只有幾V或十幾V。為了實現低壓驅動壓電陶瓷，人們提出多層壓電陶瓷的概念，也就是通過疊加多層更薄的陶瓷、使得低壓驅動下也能達到高壓驅動的效果。

層疊壓電陶瓷一般有兩種方式，一種是成瓷後黏接，另一種是內電極共燒。成瓷後黏接的方式，設備成本相對低廉，但薄型化和黏接的技術難度較高；而目前陶瓷壓電零組件的主要製作方式，則多採以流延工法的內電極共燒製程，每一層厚度可以薄至10微米以內，內電極採用耐受高溫的銀鈀電極，一次燒成。

相較於成瓷後黏接方式，內電極共燒的方式設備投資金額較高，但產品性能更為穩定可靠。

採用多層壓電陶瓷的壓電揚聲器基本結構如圖(a)所示，陶瓷片粘接在金屬板的表面。在給壓電陶瓷施加電壓時，由於陶瓷的變形，結構產生如圖(b)所示的彎曲變形，施加交流電壓就可產生振動，從而發聲。

多層壓電揚聲器與傳統的動圈揚聲器相比，壓電揚聲器有以下幾點優勢：

1.壓電揚聲器結構中沒有磁鐵，不會對周圍的電路產生干擾和影響，同時也不會被外界強磁場干擾。

2.壓電揚聲器的厚度超薄，目前所製成的壓電揚聲器本身的厚度僅有0.3mm以下，即使加上外殼，厚度也不超過1.3mm，而動圈式揚聲器的厚度一般均在2.4mm以上，相比之下，壓電揚聲器可安裝於更為狹小的空間中。

3.壓電揚聲器具有輕便的特點，重量一般都小於1g，比傳統的動圈揚聲器輕30%-50%。

4.壓電揚聲器功耗低，是動圈式揚聲器消耗功率的1/5-1/2，這大大延長了可攜式電子產品的電池續航力時間，由上述優勢可以看出，當手持設備存在以上幾點的要求之一時，壓電揚聲器提供了很好的選擇。但壓電揚聲器要獲得更多的使用，還需要在以下幾點獲得進展。

其一，是降低成本。由於壓電揚聲器內電極採用銀鈀貴金屬，成本仍然是廠商採用意願的主要瓶頸。如果能研發出其他金屬作為電極，其成本將有大幅下降的空間。

其二，是提升性能。具體來說，提升壓電揚聲器性能可以通過以下幾種方式：

1.通過改變振膜和陶瓷片的形狀和結構，達到性能改善的目的。

2.在振膜表面覆蓋一層柔軟富有彈性的聚合物薄膜，以達到降低揚聲器的主共振頻率和減弱壓電陶瓷的共振特性，從而得到平坦的頻率特性。

3.選擇性能更好的振膜材料。

目前市場中已經有越來越多的手持設備採用壓電揚聲器，隨著技術和工藝的進一步完善，在今後的幾年中，包括壓電揚聲器在內的壓電零組件將大放異彩！

康弘新材料公司作為行業領先的壓電材料供應商，立足於壓電陶瓷材料精細的研究，積極拓展壓電陶瓷材料的應用。通過近3年的努力通過導入領先的振動學和聲學人才，在生產出精細多層壓電陶瓷片的基礎上，發展出行業最領先的壓電陶瓷揚聲器產品系列。目前康弘公司的最新揚聲器產品已經在性能和品質上全面接近和超過傳統動圈式揚聲器，日前微軟中國發佈的MSN Buddy Phone產品中，已經採用康弘公司的壓電揚聲器產品。

導入康弘公司的壓電揚聲器產品後，很多客戶在原本智慧手機的設計中，常碰到的揚聲器體積過大、需要考慮射頻器件對揚聲器影響…等諸多頭疼的問題，均已迎刃而解。(本文由西安康弘新材料公司CTO季葉提供)