壓電陶瓷是電子陶瓷器件中一個重要的材料，它具有力(或形變)作用下產(chǎn)生電荷(或電壓)的正壓電效應(yīng)和電作用下產(chǎn)生力(形變)的逆壓電效應(yīng)功能，從而可進行電能-機械能和機械能-電能的轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷的上述功能已被制備成傳感器、換能器、驅(qū)動器等，廣泛地應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)診斷、超聲焊接等領(lǐng)域，成為生產(chǎn)和生活中重要的功能材料。利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可以制作成高性能的電源變壓器。

　　多層片式壓電陶瓷變壓器是近年來迅速發(fā)展起來的新一代小型高性能電源變壓器。與電磁式變壓器相比，它在小尺寸、低功率等應(yīng)用場合下有著突出的優(yōu)點，并已在實用中獲得了很好的效果。隨著通信和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，多層片式壓電陶瓷變壓器在小型電子設(shè)備中，將展現(xiàn)出獨特的優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。

市場前景看好

　　壓電陶瓷升壓變壓器在液晶顯示、離子發(fā)生器等產(chǎn)品中已獲得了應(yīng)用。最近美國正在開發(fā)汽車安全保護氣囊用的壓電陶瓷變壓器。

　　小型靈巧的壓電陶瓷降壓變壓器在計算機、手機、攝像機等的AC-DC適配器中有著廣闊的應(yīng)用前景，可以減小AC-DC適配器的體積，甚至可以去掉外接適配器，直接進入電子設(shè)備中。

　　通信電源是開關(guān)電源所有應(yīng)用增長速度最快的一部分，即使在美國，工業(yè)發(fā)達，經(jīng)濟增長緩慢的情況下，開關(guān)電源在通信領(lǐng)域的年增長率也超過15%。在美國僅AC-DC開關(guān)電源和DC-DC開關(guān)電源就從1996年的約2億美元發(fā)展到了2001年的20億美元。在世界范圍內(nèi)，其產(chǎn)值是巨大的，因而是一個新興的產(chǎn)業(yè)。所以，小尺寸、高功率密度的壓電陶瓷變壓器有望在開關(guān)變壓器中獲得部分的市場份額。

　　我國在壓電陶瓷材料及應(yīng)用技術(shù)研究和開發(fā)方面已有長期的積累，并已掌握了壓電陶瓷粉體的低溫?zé)Y(jié)和多層片式壓電陶瓷器件的制備技術(shù)。國內(nèi)已有多個重要的大學(xué)、研究所和企業(yè)從事壓電陶瓷變壓器的研究和開發(fā)工作?？梢灶A(yù)料，隨著我國加入WTO，我國的產(chǎn)品市場將進一步與世界接軌，國際上大公司全球化采購電子元器件的趨勢必將給我國帶來新的發(fā)展機遇，因此，我國壓電陶瓷變壓器研究單位、生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)攜手努力，獨立自主地研發(fā)出低成本、高性能壓電陶瓷變壓器，共同推動我國壓電陶瓷產(chǎn)品在新的電子設(shè)備中的開發(fā)應(yīng)用，使我國新一代電源變壓器能在國際市場上擁有一席之地。

多層片式壓電陶瓷變壓器成為發(fā)展熱點

　　上世紀90年代以前，壓電陶瓷變壓器的發(fā)展比較緩慢，主要原因是當(dāng)時對小功率、小尺寸的電源變壓器的市場需求量小，市場上可供選擇的壓電陶瓷變壓器產(chǎn)品少，此外，電子設(shè)備設(shè)計者和生產(chǎn)商對壓電陶瓷變壓器了解甚少。90年代以后，信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，全球每年生產(chǎn)出數(shù)以億計的電子設(shè)備，并且其種類和產(chǎn)品的數(shù)量逐年增加。在這些電子設(shè)備中，大量使用貼片式的多層片式電容、電感、電阻和高度集成的微電子器件。因此，人們期待新一代小功率、小尺寸的電源變壓器問世，使電子設(shè)備能進一步輕質(zhì)化、小型化。

　　專利數(shù)量逐年上升

　　壓電陶瓷變壓器應(yīng)運而生，它除了在器件尺寸和性能上有著優(yōu)勢外，另一個重要原因是多層片式電容器制備技術(shù)在上世紀90年代后被成功地移植到壓電陶瓷變壓器，它克服了早期用有機粘結(jié)劑粘結(jié)多層陶瓷變壓器，性能低、性能不穩(wěn)定、無法規(guī)模生產(chǎn)壓電變壓器等不足，使低成本、高性能的壓電陶瓷變壓器的實用化成為可能。

　　多層片式陶瓷結(jié)構(gòu)，它是由N層陶瓷和內(nèi)電極組成，每層陶瓷的極化方向相反，各電極間采用叉指方式交替地連接。當(dāng)多層壓電陶瓷與單片壓電陶瓷片的總厚度相同時，多層壓電陶瓷的等效壓電系數(shù)d33比單片壓電陶瓷提高了N倍，電容提高了N2倍，電壓下降了N倍(陶瓷承受相同的電場)。所以，疊層結(jié)構(gòu)的多層陶瓷可以容易地改變壓電系數(shù)、電容和電壓的大小。

　　將多層陶瓷內(nèi)電極結(jié)構(gòu)用于壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動和發(fā)電部分，可以通過調(diào)整陶瓷的層數(shù)有效地改變變壓器的輸入阻抗和輸出阻抗，從而改變輸入和輸出電壓的變比和電流的變比。與單片壓電陶瓷變壓器相比，多層片式壓電陶瓷變壓器更易獲得高的升壓比和大的輸出功率(低的降壓比和大的輸出電流)和負荷阻抗匹配，在器件性能提高的同時，體積明顯減小。多層片式壓電陶瓷變壓器的專利每年急劇上升。

　　制備多層片式壓電陶瓷變壓器的主要技術(shù)難點是獲得能低溫?zé)Y(jié)的高性能壓電陶瓷，因為壓電陶瓷通常是在1250℃-1300℃燒結(jié)的，它與金屬內(nèi)電極共燒時需采用貴金屬白金或含貴金屬鈀含量高的銀-鈀內(nèi)電極料漿，所以，只有采用低溫?zé)Y(jié)的壓電變壓器陶瓷材料才能采用賤金屬作為內(nèi)電極，從而大幅度地降低多層片式壓電陶瓷變壓器的制作成本。

　　日本是世界上生產(chǎn)高檔電子元器件最多的國家，在電子元器件研究和開發(fā)的投入也最大。目前，日本幾乎所有大的公司如NEC、Epson、Tokin、Mitsbishi、本田(Hodan)、村田制作所(Murata)、Panasonic、TOTO、京陶(Kyocera)等公司以及東京工業(yè)大學(xué)和山形大學(xué)研究機構(gòu)都投入到壓電陶瓷變壓器的研究和開發(fā)中。美國主要有賓州州立大學(xué)著名的Smart Materials實驗室、德州儀器公司、Motolora公司，歐洲有德國西門子公司、荷蘭的Philips公司、法國的阿爾卡特公司、波蘭陶瓷研究所以及以色列、韓國的Tronix公司和我國臺灣的多家公司等都開展了壓電陶瓷變壓器研究和開發(fā)。

　　應(yīng)用以升壓為主

　　從目前壓電變壓器應(yīng)用的狀況看，主要是以升壓為主的多層片式壓電陶瓷變壓器用于液晶顯示器、靜電除塵器、小功率激光管和高壓電源等。日本NEC公司用多層片式壓電陶瓷變壓器用于手提電腦的液晶顯示屏。

　　壓電陶瓷降壓變壓器還處于研發(fā)階段。日本的Tokin制備了可用于AC-DC適配器的、工作頻率為180kHz、功率密度遠優(yōu)于磁性變壓器的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器，NEC采用壓電d31振動模式獲得了140kHz的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器。它們都到了實用化的階段，目前正在我國臺灣組織生產(chǎn)。NEC公司制作的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器，器件尺寸為14mm×14mm×6mm，工作頻率為140kHz，20W輸出時的功率轉(zhuǎn)換效率為97%。這種變壓器與電磁式變壓器相比，無二次諧振波，因而不需要在AC-DC適配器中加上高次濾波電路。

　　NEC還開展了用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器研究，該變壓器利用厚度振動模式獲得了工作頻率為2MHz的降壓變壓器，20mm×20mm×2.2mm的功率轉(zhuǎn)換效率達到98%，功率密度35W/cc，比電磁式變壓器的功率密度20W/cc高，因此，日本NEC、ToKin、Mitschbishi等公司自1992年就聯(lián)合開展研究，雖然至今在國際刊物上發(fā)表的研究結(jié)果很少，但一直在加緊開發(fā)該變壓器。這種工作模式的降壓變壓器需用各向異性大的壓電陶瓷材料。深圳富康電子陶瓷公司最近已成功獲得了低溫(950℃)燒結(jié)的各向異性大的壓電變壓器陶瓷材料。

　　日本富士通最近利用LiNbO3單晶制備了15mm×15mm×0.5mm的小型壓電變壓器，工作頻率為4MHz，輸出功率達到了30W～40W。目前主要解決的是半導(dǎo)體電子元器件的整流電路的問題，一旦獲得解決，將在新一代的開關(guān)電源中獲得廣泛的應(yīng)用。

　　丹麥Noliac公司報道的環(huán)狀壓電陶瓷變壓器功率密度為4/cm3，轉(zhuǎn)換效率達到98%，是至今報道的功率密度的最高值。新加坡南洋理工大學(xué)成功獲得多路輸出壓電降壓變壓器，在溫度升高20℃，能量轉(zhuǎn)換效率為90%時，最大的輸出功率達到了169.8W(一路輸出電壓為40.3W，另一路為129.5W)，是至今所見壓電變壓器最大的輸出功率。

　　德國最近報道了利用壓電陶瓷行波制備了壓電變壓器，其功率密度比目前使用的壓電駐波制備的變壓器提高了40%。

　　我國在低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷變壓器材料和多層片式壓電陶瓷變壓器進行了長期的研究和開發(fā)。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所獲得"十五"863項目的資助，與國內(nèi)的有關(guān)單位合作，研制和開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多層片式壓電陶瓷變壓器，性能指標達到和超過國際上相關(guān)器件的水平，為我國在該器件的研究和開發(fā)提供了技術(shù)保證。

結(jié)構(gòu)簡單 尺寸小 功率低 無污染

壓電陶瓷變壓器應(yīng)用優(yōu)勢明顯

　　壓電陶瓷變壓器的工作原理是利用壓電陶瓷的正和逆壓電效應(yīng)，它通過對壓電陶瓷體的電極和極化方向取向進行特點的設(shè)計，利用逆壓電效應(yīng)使輸入端相連接的壓電陶瓷在電壓作用下產(chǎn)生機械振動，再通過正壓電效應(yīng)使輸出端連接的壓電陶瓷產(chǎn)生電壓。當(dāng)輸入和輸出端的阻抗不相等時，導(dǎo)致它們的電壓和電流也不相等，從而實現(xiàn)輸入和輸出端之間的電壓和電流大小變換的功能。

　　第一個壓電陶瓷變壓器是由美國的Rosen在1956年提出的，它具有升高輸出電壓的功能。變壓器的輸入電壓端稱為驅(qū)動部分，輸出電壓端稱為發(fā)電部分。驅(qū)動和發(fā)電部分的極化方向不同，前者沿著陶瓷單片厚度方向，后者沿著陶瓷單片的長度方向。陶瓷上的銀電極分別與輸入和輸出電壓相連接。當(dāng)壓電陶瓷在驅(qū)動部分加上與壓電陶瓷橫向(長度方向)諧振頻率相同的交流電壓時，因壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷在長度方向產(chǎn)生機械共振，又因正壓電效應(yīng)使輸入的電能轉(zhuǎn)換成機械能。

　　由于壓電陶瓷發(fā)電部分的長度大于驅(qū)動部分的厚度，輸入阻抗遠大于輸出阻抗，因而輸出電壓大于輸入電壓，成為升壓變壓器。這種結(jié)構(gòu)的變壓器在數(shù)伏或數(shù)十伏的輸入電壓，可以獲得數(shù)千伏的電壓。

　　壓電陶瓷變壓器與電磁式變壓器相比，具有以下一些特點：結(jié)構(gòu)方面很簡單，只有壓電陶瓷片，無電磁式變壓器的電繞線。外觀尺寸方面，器件幾何形狀呈扁平結(jié)構(gòu)，尺寸小，可根據(jù)要求不同振動模式的變壓器，如長度或?qū)挾日駝拥拈L方體壓電變壓器，徑向振動的圓柱體壓電變壓器。

　　環(huán)境方面，器件不可燃，不怕短路，對外界無電磁污染。工作頻率方面，工作在壓電陶瓷體的諧振頻率或高階振動頻率，它與壓電變壓器的外形尺寸有關(guān)。

　　負載特性方面，當(dāng)負載阻抗發(fā)生變化時，它的諧振頻率將發(fā)生偏移，因此，壓電陶瓷變壓器的電壓和電流變比、功率轉(zhuǎn)換效率等隨負載阻抗而發(fā)生變化。

　　在低于陶瓷體諧振頻率時，壓電變壓器表現(xiàn)為電容特性，在高于諧振頻率以上表現(xiàn)為電感特性，只有在諧振頻率附近才為電阻特性(它對應(yīng)著壓電陶瓷的機械共振)。所以，壓電陶瓷變壓器的工作頻率受諧振頻率的限制，具有一定的工作帶寬。

　　電磁式變壓器無工作帶寬的限制，頻率范圍寬，但是，由于電磁式變壓器是由繞線和磁性材料組成，主要表現(xiàn)為電感特性，所以，在低頻時輸入和輸出隨頻率降低而下降，為了制作低頻小功率的電磁式變壓器，必須增加繞線的電感，因而難以實現(xiàn)器件的小型化。

　　壓電陶瓷變壓器尺寸基本決定了器件的輸出功率。壓電陶瓷的功率密度為15W/cm3～20W/cm3。通常，制備輸出功率在10W以下的壓電變壓器比較適合，30W以上的相對比較少。

　　輸入電壓根據(jù)應(yīng)用需求的輸入電壓大小確定器件的結(jié)構(gòu)形式和機械振動模式。設(shè)計時應(yīng)考慮壓電陶瓷在極化方向相反的高電場作用下易使壓電性能消失，因此，壓電變壓器必須考慮其安全的工作狀態(tài)。輸出電壓與輸入電壓相同，應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用要求，確定壓電陶瓷變壓器的輸入電壓。

　　壓電陶瓷變壓器是在諧振狀態(tài)下工作，該工作頻率主要由器件的尺寸決定。所以，變壓器的結(jié)構(gòu)和尺寸由實際需要的工作頻率決定。

　　由于壓電變壓器性能的頻率特性與負載有關(guān)，需根據(jù)應(yīng)用要求的負載阻抗確定變壓器的輸出端的挾持電容，使變壓器有高的功率轉(zhuǎn)換效率。

　　功率轉(zhuǎn)換效率是指輸出功率和輸入功率之比。理想的壓電陶瓷變壓器的功率轉(zhuǎn)換效率可以接近100%。

　　壓電陶瓷變壓器小型薄片型結(jié)構(gòu)是其主要的特點，因此，根據(jù)應(yīng)用要求確定器件尺寸是其關(guān)鍵。

　　壓電陶瓷變壓器因在諧振狀態(tài)下產(chǎn)生發(fā)熱，通常確定壓電陶瓷的工作溫度須低于60℃。

　　壓電效應(yīng)是指具有極性的陶瓷材料在外力作用下，它的兩個特定電極表面產(chǎn)生電荷。這種效應(yīng)可以用壓電系數(shù)和機電耦合系數(shù)來表示。通常極化方向能隨外電場方向改變的鐵電材料具有大的壓電和機械耦合系數(shù)。壓電陶瓷是一種經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后的多晶材料，它是由許多鐵電性微小晶粒組成。通過對燒結(jié)的陶瓷進行切割和磨片，得到所需尺寸的陶瓷片，在陶瓷的兩個表面上設(shè)置電極，在適當(dāng)?shù)臏囟认聵O化后，獲得具有壓電性的壓電陶瓷。不同幾何形狀的壓電陶瓷有著不同的振動模式，它可以用不同的壓電和機電耦合系數(shù)表示。對于壓電陶瓷變壓器用的壓電陶瓷，應(yīng)具有高的介電系數(shù)、壓電系數(shù)、機電耦合系數(shù)以及高的居里溫度、低的介電和機電損耗。

　　壓電陶瓷變壓器是在自由振動狀態(tài)下工作，因此，它比壓電陶瓷換能器中在預(yù)應(yīng)力下工作的壓電陶瓷具有更高的機械強度。