PZT系多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器位移性能研究

劉碩

摘 要

PZT系多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器的制作主要采用了陶瓷胚胎流延成型和一定的金屬內(nèi)極電共燒的技術(shù)，具有體積小、工作電壓低，且位移量大等方面的特點。本文通過對PZT概念以及試驗的方法整理研究，對PZT系多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器位移性能的實驗進行了科學(xué)的研究。

【關(guān)鍵詞】PZT 壓電陶瓷微驅(qū)動器

壓電陶瓷微驅(qū)動器在一定程度上在逆壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)上制作的新型固態(tài)執(zhí)行器，并且普遍應(yīng)用在眾多的高新技術(shù)領(lǐng)域中，如精密光學(xué)、微電子技術(shù)以及電子計算機等。而這些領(lǐng)域的要求促使著壓電陶瓷微驅(qū)動器逐漸朝著小體積、低驅(qū)動電壓、大位移量以及集成化的方向大力的發(fā)展。近年來，隨著陶瓷胚胎流延成型和金屬內(nèi)極電共燒技術(shù)的發(fā)展和日漸成熟，適合大規(guī)模生產(chǎn)、性能優(yōu)良的PZT系多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器應(yīng)運而生，有效的克服了陶瓷分層現(xiàn)象，最大限度的延長了器件的使用壽命。

1 PZT概述

PZT是一種性能優(yōu)異的鐵電材料，在介電、鐵電、壓電以及熱釋電等方面的效應(yīng)十分良好，普遍應(yīng)用在非揮發(fā)性的動態(tài)隨機存貯器的制作當中，并且在電子材料中的地位日漸突出。近年來，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展水平的日益提高，微機電系統(tǒng)獲得了更多的發(fā)展空間，PZT鐵電薄膜憑借較高的高壓電常數(shù)等方面的優(yōu)勢而受到廣泛的重視，在微型傳感器和驅(qū)動器中都有所涉及，在很大程度上已經(jīng)逐漸成為微機電系統(tǒng)中常用的傳感和驅(qū)動材料。

2 試驗

2.1 多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器

多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器的制作所需要的工藝步驟非常繁雜，具體如下：

（1）利用電子陶瓷的制備工藝可以得到PZT三元系壓電陶瓷粉體，其軟性的壓電應(yīng)變系數(shù)相對較大。

（2）嚴格按照一定固液比例實現(xiàn)陶瓷粉體和有機劑的充分混合，均勻的陶瓷漿料由此得到，然后將其放置在流延機的料斗里進行有效地流延，通過對括刀的高度進行合理的調(diào)節(jié)以及有機載帶速度的有效控制，由此制作出來的流延胚胎不僅質(zhì)地均勻、高度適中，而且非常致密。

（3）把流延胚胎膜沖成各種形狀，一面將帶圖案的電極漿料印刷上，然后將其按照一定的順序統(tǒng)一放置在特制的模具里采用層疊形式使其能夠成型，由此就會得到一個呈多層片狀式的含有電極的陶瓷胚體。

（4）嚴格按照器件具體的作用面積將制作好的陶瓷胚體進行切割，并切割成多個多層的器件胚體，然后將全部的胚體一起放入到一定的坩堝中慢慢排塑，經(jīng)過高溫封閉式的燒結(jié)以后，便會得到含有內(nèi)極的多層片式陶瓷器件。

（5）最終經(jīng)過研究流延厚膜以及高溫內(nèi)的電極共燒工藝，獲得了作用面積在30mm，總厚度在2mm的多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器。

2.2 樣品測試

陶瓷單片壓電的應(yīng)變系數(shù)主要是中科院研制的Berlincourt測量儀，用中科院生產(chǎn)的電子顯微鏡對多層器件微曲的顯微結(jié)構(gòu)進行科學(xué)的觀察，同時用中原量儀廠生產(chǎn)的DGS-6型數(shù)顯電感測試儀對多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器的位移值進行科學(xué)的測量。

3 結(jié)果和討論

對于受恒定外加應(yīng)力的壓電陶瓷單片而言，當在垂直于其極化方向的表面施加一定電壓的時候，壓電形變?yōu)榫€性形變時，由壓電方程式可得出壓電所產(chǎn)生的位移，且通過實驗的進一步得知壓電的應(yīng)變系數(shù)在很大程度上與厚度沒有任何關(guān)系，反倒與電壓成正比關(guān)系。因此，當電壓加到一定程度時，并且多層陶瓷片內(nèi)外電極連接的具體結(jié)構(gòu)形式就可以進行機械之間的并聯(lián)和串聯(lián)，如圖1，進而就會極化陶瓷層，相應(yīng)的還會得到相鄰陶瓷片的極化的具體方向，取相反的方向就能夠得到極化的具體結(jié)構(gòu)形式。如此一來，當多層壓電陶瓷微位移器通過外加工作電壓時，就能夠得到縱向位移的疊加。

與此同時，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)在陶瓷層中存在著許多大小為微米的細小氣孔，根據(jù)實驗可得知這主要與陶瓷流延胚膜中的粘結(jié)劑等有機物分布不均勻造成的。當陶瓷內(nèi)的電極呈現(xiàn)共燒時，會促使有機物出現(xiàn)一定的揮發(fā)現(xiàn)象，氣孔便由此形成。但是氣泡在PZT系多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器中對于陶瓷層機電的特性不會造成任何的影響，并且這個結(jié)果與流延法在PBNN硬性壓電陶瓷制備時的機電系數(shù)基本保持一致。除此以外，壓電陶瓷中的電偶極子以及電疇無論是在直流電壓還是在100Hz～5kHz的頻率范圍內(nèi)都能夠進行同樣的伸縮以及方向的轉(zhuǎn)換，并且位移量不會隨著頻率的改變而出現(xiàn)相應(yīng)的改變。

綜上所述，通過研究寬帶憑平坦方面的動態(tài)位移證明，電偶極子和電疇的位移量不會隨著頻率的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變，對精密動態(tài)位移的有效控制是應(yīng)用多層片式器件的重要方式，這對于多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器的具體應(yīng)用具有非常重要的意義。通過實驗可以進一步證明多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器作為新型的固態(tài)執(zhí)行器件，在位移方面不僅響應(yīng)快，并且頻譜相對比較平坦，且具有體積非常小，工作時電壓極低的顯著優(yōu)勢。利用逆電壓效應(yīng)有助于壓電體微觀性能的研究，其主要方法是利用壓電陶瓷在電場作用下電偶極子以及電疇所引起的位移量的變化規(guī)律，并且在一定程度上也有利于獲得隨頻率變化的壓電系數(shù)。

參考文獻

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作者單位

重慶大學(xué) 重慶市 400044