劉碩

摘 要

PZT系多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)PZT概念以及試驗(yàn)的方法整理研究，對(duì)PZT系多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器位移性能的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了科學(xué)的研究。

【關(guān)鍵詞】PZT 壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器

壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)等。而這些領(lǐng)域的要求促使著壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器逐漸朝著小體積、低驅(qū)動(dòng)電壓、大位移量以及集成化的方向大力的發(fā)展。近年來(lái)，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(dòng)器應(yīng)運(yùn)而生，有效的克服了陶瓷分層現(xiàn)象，最大限度的延長(zhǎng)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(dòng)態(tài)隨機(jī)存貯器的制作當(dāng)中，并且在電子材料中的地位日漸突出。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的日益提高，微機(jī)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(shì)而受到廣泛的重視，在微型傳感器和驅(qū)動(dòng)器中都有所涉及，在很大程度上已經(jīng)逐漸成為微機(jī)電系統(tǒng)中常用的傳感和驅(qū)動(dòng)材料。

2 試驗(yàn)

2.1 多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器

多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)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(duì)較大。

（2）嚴(yán)格按照一定固液比例實(shí)現(xiàn)陶瓷粉體和有機(jī)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(jī)的料斗里進(jìn)行有效地流延，通過(guò)對(duì)括刀的高度進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)以及有機(jī)載帶速度的有效控制，由此制作出來(lái)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(huì)得到一個(gè)呈多層片狀式的含有電極的陶瓷胚體。

（4）嚴(yán)格按照器件具體的作用面積將制作好的陶瓷胚體進(jìn)行切割，并切割成多個(gè)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(guò)高溫封閉式的燒結(jié)以后，便會(huì)得到含有內(nèi)極的多層片式陶瓷器件。

（5）最終經(jīng)過(guò)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(dòng)器。

2.2 樣品測(cè)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(cè)量?jī)x，用中科院生產(chǎn)的電子顯微鏡對(duì)多層器件微曲的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的觀察，同時(shí)用中原量?jī)x廠生產(chǎn)的DGS-6型數(shù)顯電感測(cè)試儀對(duì)多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器的位移值進(jìn)行科學(xué)的測(cè)量。

3 結(jié)果和討論

對(duì)于受恒定外加應(yīng)力的壓電陶瓷單片而言，當(dāng)在垂直于其極化方向的表面施加一定電壓的時(shí)候，壓電形變?yōu)榫€性形變時(shí)，由壓電方程式可得出壓電所產(chǎn)生的位移，且通過(guò)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步得知壓電的應(yīng)變系數(shù)在很大程度上與厚度沒(méi)有任何關(guān)系，反倒與電壓成正比關(guān)系。因此，當(dāng)電壓加到一定程度時(shí)，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(jìn)行機(jī)械之間的并聯(lián)和串聯(lián)，如圖1，進(jìn)而就會(huì)極化陶瓷層，相應(yīng)的還會(huì)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(lái)，當(dāng)多層壓電陶瓷微位移器通過(guò)外加工作電壓時(shí)，就能夠得到縱向位移的疊加。

與此同時(shí)，通過(guò)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(xì)小氣孔，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可得知這主要與陶瓷流延胚膜中的粘結(jié)劑等有機(jī)物分布不均勻造成的。當(dāng)陶瓷內(nèi)的電極呈現(xiàn)共燒時(shí)，會(huì)促使有機(jī)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(dòng)器中對(duì)于陶瓷層機(jī)電的特性不會(huì)造成任何的影響，并且這個(gè)結(jié)果與流延法在PBNN硬性壓電陶瓷制備時(shí)的機(jī)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(wú)論是在直流電壓還是在100Hz～5kHz的頻率范圍內(nèi)都能夠進(jìn)行同樣的伸縮以及方向的轉(zhuǎn)換，并且位移量不會(huì)隨著頻率的改變而出現(xiàn)相應(yīng)的改變。

綜上所述，通過(guò)研究寬帶憑平坦方面的動(dòng)態(tài)位移證明，電偶極子和電疇的位移量不會(huì)隨著頻率的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變，對(duì)精密動(dòng)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(duì)于多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器的具體應(yīng)用具有非常重要的意義。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步證明多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)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(duì)比較平坦，且具有體積非常小，工作時(shí)電壓極低的顯著優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)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)。

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作者單位

重慶大學(xué) 重慶市 400044