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1、 第 10 期 电子元件与材料 Vol.23 No.10 2004 年 10 月 ELECTRONIC COMPONENTS piezoelectric cramics; fan; driving circuit; sine wave; phase; DDS signal generator 在微电子领域，随着芯片集成度的提高，散热成 了一个突出的技术问题。传统电机加叶片旋转模式的 风扇，由于风向定向性不好、风速低，已很难胜任强 散热工作。特别是其噪声大，电磁干扰严重，不符合产品静音和环保的发展趋势。于是，就想出水冷、油 冷等方案，但都因成本高，结构复杂庞大而使其仅仅用于一些重要的高端设备中，
2、无法大量代替风扇。于 是，就想办法改善传统风扇的缺陷。发现如果能改传 统弯曲叶片的旋转运动，为直叶片的机械振动，就能 得到定向性好、风速高的气流，冷却效果明显优于传统风扇。 根据这个发现，研究设计出了压电陶瓷风扇。 在国外各大公司，如日本松下、T D K 、东芝和美国威尼德隆等都在竞相研制， 特别是 T D K 已有产品投放市场。 在国内市场还未见到该类产品上市。 1 原理简介 压电陶瓷风扇是根据压电陶瓷的逆压电效应，即压电陶瓷在加交变电场的情况下产生机械运动。它的 工作原理是：改变传统的电机加叶片的模式，而变为将压电陶瓷片和叶片直接整 合在一起， 在驱动电路交变电 场的驱动下， 直接带动叶片
3、产 生弯曲振动， 从而由片端向前 方输出高速、平稳的气流。 1.1 产品结构 （1 ） 国外压电陶瓷风扇实 物图（见图 1 ） ( 2 ) 压电陶瓷和风扇外形原理图如图 2 所示。 收稿日期：2004-04-10 修回日期：2004-05-20 作者简介：千学著（1966- ） ，男，陕西西安人，高级工程师，主要从事压电陶瓷及其器件的研究与开发，获多项研究成果。Tel: (029)8229006； E-mail: ；李静（1978） ，女，陕西西安人，工程师，主要从事压电陶瓷及其器件的研究与开发；葛伟（1978） ， 男，陕西西安人，工程师，主要从事压电陶瓷及其器件的研究与开发。 研 究 与
4、试 制 R & D 图 1 国外风扇实物 Fig.1 Foreign fan 驱动 电路 气流方向叶片 （a）外形 （b）原理图 图 2 压电陶瓷风扇外形和原理图 Fig.2 Outline and principle of piezoelectric ceramic fan 第 10 期 39 千学著等：压电陶瓷风扇的研制 结构简介：压电陶瓷风扇的外形结构如图 2（a） 所示。 总长度 6 cm， 其中： 叶片 4 cm， 驱动电路 2 cm，宽度 4 cm（总重量 80 g） 。驱动电路被包封在金属网 壳中，作为风扇的基体，叶片固定于基体上，在驱动电路的驱动下发生如图示正弦共振，从而由片端
5、向前 方输出高速、平稳的气流对冷却对象进行冷却。 1.2 性能简介 压电陶瓷风扇最大优点就是因其振动频率高，所以风力集中而不扩散、定向性好、速度快、无漏磁， 克服了传统风扇的定向性差、 风速慢而易扩散的缺陷。在相同功率下， 其风冷效果明显优于传统风扇。 另外， 超声风扇的其它性能指标也均优于传统风扇,其结构简单、体积小、重量轻、噪声小、寿命长、断电自动 锁死等。 性能指标如下： ?电源：220 V，50 Hz，但扇片端电压仅为 60 V。 ?噪声：A 部声级以下。 ?输出风速：4.5 m/s 左右，最高点 6 m/s。 ?输出功率：单扇片型低于 0.25 W。 ?疲劳强度：扇片应能经历数千万次
6、应力循环而 正常运行。 ?降温效果：在室温 20?时，用单扇片型压电风 扇对 P4 CPU进行定向风冷， 其温度自 55?降至 35?， 并保持稳定。 2 实验 整个设计方案分为四个大部分：压电陶瓷片的研 发、压电陶瓷片电极分割及粘接形式设计、驱动电路 的设计、整体结构的组装设计。其中，压电陶瓷片研 发和驱动电路设计同时进行，以达到驱动电路和机械运动部件的最佳配合，减少研发时间，提高效率。整 个实验研发分为四个大的阶段。 2.1 压电陶瓷片的研发 2.1.1 配方体系的选择 根据压电陶瓷风扇的工作原理，对压电陶瓷材料的 性能要求为：k31大，d31大、弹性柔顺常数 S11大，力学 强度大，介质
7、损耗小，频率稳定性好，居里温度高。由 于对材料的综合性能指标要求较高，所以选用了四元系 配方，化学式为 Pb(Sn1/3Nb2/3)A(Zn1/3Nb2/3)B(Zr)C(Ti)DO3， 并对不同配比进行了性能对比。如表 1 所示： 2.1.2 工艺设计 对于工艺经精心选择，具体工艺如下。 2.1.2.1 原料处理 压电陶瓷片是风扇的核心部件，其性能参数直接影响了风扇的性能。众所周知，压电陶瓷的最终性能受原材料和加工艺的影响极大，对于同样一个配方因 原材料微观结构和加工艺不同而导致压电陶瓷的性能产生很大的差异。对粉料的要求包括颗粒度大小、粒 度分布、表面状态、内部结晶结构等，这些应综合进行考虑
8、。粉料的特性及其烧结后的性能在很大程度上 取决于粉料制备的方法，粉料的颗粒形状以球形为最好，原因是球形颗粒易被润湿、晶粒长大比较均匀， 比表面积也大。 表 1 材料组成 Tab.1 Material composition 组 成（质量分数） 代号 A B C D Pb 取代量 % w（MnO2） % F1 0.06 0.07 0.45 0.42 1 Ba 0.45 F2 0.10 0.20 0.40 0.30 2.5 Ba 2.00 F3 0.01 0.13 0.44 0.42 2 Ba+2Sr 1.20 F4 0.05 0.20 0.43 0.32 2Ba+2Sr+2Ca 0.50 F5
9、0.03 0.04 0.48 0.45 5Ca 2.00 F6 0.02 0.20 0.42 0.36 2 Ba+5Ca 2.50 因此本实验所用的主要原料采用预合成，按不同 配比在不同温度下分别合成 Pb(Sn1/3Nb2/3)O3、Pb (Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Zr1xTix) O3。 2.1.2.2 等静压成型 密度是表征陶瓷材料性能的重要指标，密度的提 高有助于消除内部缺陷和不连续，从而减少负荷状态 下的温升和不均匀发热。影响密度的工艺因素主要是 成型方法，其次是烧结。成型方法有许多种，在生产 中采用的主要有两种：干压法、轧膜法。这两种方法 各有利弊，笔者认为，制作薄陶瓷片
10、以轧膜法为好， 厚陶瓷片则以干压法为好，干压法制备的材料密度高 于轧膜法。 轧膜法属于最常用的成型方法，在此不再赘述。 干压法多采用等静压成型或旋转压床干压，有两种规 格：大块及小片，大块在烧结后经切削加工成小片，两者比较，大块成型的一致性好于小片。表 2 为轧膜 法和干压法一些成型性能指标对比。 表 2 不同成型方法生坯性能比较 Tab.2 Comparison of performance of green body by different moulding methods 成型方法 生坯密度 （gcm3） 烧成收缩 % 成瓷密度 （gcm3） 性能一致性 轧 膜 法 5.15.5 10
11、12 7.67.70 较好 干 压 法 5.65.7 810 7.77.80 优异 等 静 压 5.76.0 78 7.87.85 优异 所以成型工艺采用了等静压成型法，提高了压电陶瓷材料的致密性和内部结构的一致性，从而保证了 陶瓷换能器性能的一致性，使陶瓷片的电性能和力学 性能得到充分发挥。 2.1.2.3 烧结方法 烧结最好采用回转自动烧结隧道炉，其次是烧成 隧道炉，不宜采用箱式炉，原因在于隧道炉的温区较长、温度梯度小、温度均匀、一致性好、效率高，适40 电 子 元 件 与 材 料 2004 年 宜批量生产。 2.1.2.4 工艺流程 工艺流程如下： 原料处理配制混合预烧球磨等静压成型切片
12、排胶烧成切割研磨清洗印银 极化测试粘接固化测试。 压电陶瓷片的生产工艺是将采购来的化工材料 Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、MgO、MnO2等经过预先合成得到配料所需原料。然后按一定比例配制，经 过 24 h湿法研磨，烘干后再经振动球磨混合 68 h，压制成6080 mm的生坯，在 800900?条件下反 应 68 h，采用湿法球磨粉碎 36 h后加粘合剂造粒，按目前国际陶瓷成型的较先进方式等静压法压制成坯 体，按产品要求修整成较正规形状，在自编程高温窑中经 1 1001 200?烧成 2 h。使用内外圆磨床将烧成 的坯料研磨到产品要求的外形尺寸，用内圆切割机将 坯体切割成产品要求
13、厚度的片子，再经双向精密研磨 机抛光，超声清洗后使用印银机在片子上、下面印刷 银电极，在 750850?条件下烧银；在 140?硅油中 以 3.54 MV/m对上银片子极化 2030 min， 经过 48 h放置后，在 120?、140?条件下先后老化 4 h，再经 过 72 h放置后，测试陶瓷片性能。 2.1.3 性能测试 2.1.3.1 测试方法 压电陶瓷性能 测量通常用传输线 法测量， 测试线路分 恒压源和恒流源两 种， 此次实验采用恒 流源传输测试线路，电路图如图 3。 2.1.3.2 测试仪表及测试数据 测试仪表选用国际先进的HP4194A性能测试表， 测试数据如表3所示。 表 3
14、四元系配方性能测试表 Tab.3 Testing performance 组成 代号 k31 Qm r S11 1011(m2N1) d31 1012（ CN1） fr 1061 F1 0.26 170 1 400 10 110 150 F2 0.30 165 1 550 12 125 120 F3 0.39 90 1 900 16 190 110 F4 0.34 135 1 600 14 140 180 F5 0.32 145 1 570 15 135 90 F6 0.33 120 1 650 13 135 90 日本 TDK 0.38 75 1 960 17 198 150 从表中性能对比
15、可看出 F 3 配方的综合性能优异，适合风扇性能要求，故选用 F 3 配方作为材料 基础配方。 2.2 驱动电源设计 2.2.1 驱动电路原理简介 由压电陶瓷风扇的工作机理可知，风扇的运行需 要驱动控制电路提供两路频率相同、相位差为 90（或可调） 、 频率为 2060 kHz、 输出信号峰值为 60 150 V、功率为 0.11 W的正弦交变信号。此外，由于风扇的最佳工作频率是由系统的机械共振频率决定 的，而以压电元件为主的振动系统的共振频率会随着外界参数（如温度）的改变而发生变化。因此风扇驱 动及控制电路必须能够很好地对系统共振频率的变化实施跟踪，从而确保风扇的稳定运行。压电陶瓷风扇 驱动及控制电路主要由以下 5 个部分组成
