專利名稱：壓電驅動器制作方法及壓電驅動器的制作方法
技術領域：
本發明涉及壓電驅動器技術，尤其涉及一種壓電驅動器制作方法及壓電驅動器。
背景技術：
壓電驅動器，例如壓電陶瓷微驅動器是利用壓電材料的逆壓電效應制作而成的新型固態執行器，其具有尺寸小、線性好、控制方便、位移分辨率高、頻率響應好、能耗低、無噪聲等優點，在精密光學、微型機械、微電子技術等高新技術領域得到了廣泛應用。其中，根據驅動方式的不同，可將壓電驅動器劃分為剛性位移驅動器和諧振位移驅動器，剛性位移驅動器包括多層式驅動器、單(雙)晶片驅動器、彩虹式(Rainbow)驅動器、月牙式(Moonie)驅動器和鈸式(Cymbals)驅動器等。由于多層式驅動器具有承載力大、響應速度快、位移重復性好、體積效率高、電場控制相對簡單等優點，是一種常見的壓電驅動器，在精密機械領域得到了廣泛應用。 目前，多層式驅動器制作時，通常是采用傳統流延成膜多層共燒制備工藝，包括以下步驟(1)流延成型，其是在原料中加入有機溶劑后制作漿料，并將漿料流延得到膜層；
(2)烘干，即對流延得到的膜層進行烘干；(3)疊加，將烘干后的膜層鍍上銀電極，并進行疊加；(4)共燒，即將疊加后得到的多層膜高溫煅燒，得到多層結構的壓電驅動器。現有采用傳統流延成膜多層共燒制備工藝中，需要使用有機溶劑，而有機溶劑通常有毒；共燒過程中，膜層上鍍的銀電極容易擴散，導致制作后的壓電驅動器性能下降、退化；同時，現有制備工藝流程復雜，安全性較差，制作成本較高。此外，現有技術也有通過采用環氧樹脂黏貼方式得到壓電驅動器。綜上，現有壓電驅動器的多層共燒制備工藝中，多層共燒過程中易導致膜層上銀電極擴散，壓電陶瓷層之間易產生蠕變，使得壓電驅動器的能量轉換效率低，位移損失較大，壓電驅動器性能較差；此外，現有壓電驅動器制備工藝復雜，質量不易控制。而現有采用環氧樹脂方式制備壓電驅動器時，制備得到的壓電驅動器無法適用于高溫環境工作。

發明內容
本發明提供一種壓電驅動器制作方法及壓電驅動器，可有效克服現有技術采用共燒和通過環氧樹脂制備得到的壓電驅動器存在的問題，在簡化壓電驅動器制備工藝的前提下，可有效改進壓電驅動器的驅動性能和提高工作溫度適用范圍。本發明提供一種壓電驅動器制作方法，包括在壓電陶瓷片的上下表面分別制作預設圖案的內電極；通過耐高溫無機聚合硅凝膠材料，將制作內電極后的多個壓電陶瓷片粘結在一起，形成一體化結構的多層陶瓷；在所述一體化結構的多層陶瓷的相對的兩個側面上分別制作外電極，以將各壓電陶瓷片在電路上形成并聯連接；對所述一體化結構的多層陶瓷進行極化，得到所述壓電驅動器。
上述的壓電驅動器制作方法中，所述耐高溫無機聚合硅凝膠為硅酸鎂、磷酸鋁與無機高分子聚合物混合形成。上述的壓電驅動器制作方法中，所述耐高溫無機聚合硅凝膠為耐500°C以上高溫的無機聚合硅凝膠。上述的壓電驅動器制作方法中，所述壓電陶瓷片為采用居里溫度高于120°C的壓電材料制作得到。上述的壓電驅動器制作方法中，所述壓電陶瓷片材料的一個例子是采用鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體，所述鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體的化學式為(1-x) BiSc03-xPbTi03，其中
0.2 ≤ x〈l。上述的壓電驅動器制作方法中，所述在壓電陶瓷片的上下表面分別制作預設圖案 的電極之前還包括利用固相反應法制備壓電陶瓷片。上述的壓電驅動器制作方法中，所述壓電陶瓷片上下表面的電極寬度w小于陶瓷片的寬度W,且上下表面的電極相對兩側面反對稱設置；所述陶瓷片的任一表面上的電極到側面的間隙d=W-w，且所述間隙d大于所述壓電陶瓷片的厚度t。上述的壓電驅動器制作方法中，所述內電極和外電極均為銀電極。其中，所述內電極和外電極通過燒制而成，且燒制溫度為500°C -900°C。所述內電極也可以是銅、鎳或金，或它們的混合電極；內電極也可以采用濺射方法制備。此外，本發明還提供一種壓電驅動器，其采用上述本發明提供的壓電驅動器制作方法制作得到。本發明提供的壓電驅動器制作方法及壓電驅動器，通過采用耐高溫無機聚合硅凝膠粘結，避免了傳統多層共燒方法因銀電極擴散所導致壓電性能下降、退化的問題，同時，也可避免傳統環氧樹脂粘接方法不能承受高溫的固有缺陷，消除了壓電陶瓷片之間的蠕變，可有效提高壓電驅動器的能量轉換效率，所獲得的高溫壓電驅動器具有更優異的電性能和更好的一致性。本發明提供的壓電驅動器制作方法具有制作工藝簡單，成本低廉的優勢，可制備適用于高溫環境下工作的壓電驅動器，且制作的壓電驅動器質量穩定、可靠。


圖I為本發明實施例一提供的壓電驅動器制作方法的流程示意圖；圖2為本發明實施例中壓電陶瓷片的制備方法示意圖；圖3為根據本發明制作得到壓電驅動器所測得的電壓-微位移曲線圖；圖4為本發明實施例二提供的壓電驅動器的結構示意圖。
具體實施例方式鑒于現有壓電驅動器存在的問題，本發明實施例提供一種壓電驅動器，可將多個壓電陶瓷片以并聯方式交互層疊、粘結后制成一體化多層結構的壓電驅動器。下面將對本實施例壓電驅動器制作方法以及壓電驅動器結構進行說明。圖I為本發明實施例一提供的壓電驅動器制作方法的流程示意圖。如圖I所示，本實施例壓電驅動器制作方法可包括以下步驟步驟101、在壓電陶瓷片的上下表面分別制作預設圖案的內電極；步驟102、通過耐高溫無機聚合硅凝膠材料，將制作內電極后的多個壓電陶瓷片粘結在一起，形成一體化結構的多層陶瓷；步驟103、在一體化結構的多層陶瓷的相對的兩個側面上分別制作外電極，以將各壓電陶瓷片在電路上形成并聯連接；步驟104、對一體化結構的多層陶瓷進行極化，得到壓電驅動器。本實施例在制作壓電驅動器時，可通過耐高溫的無機聚合硅凝膠將多個壓電陶瓷片粘結在一起，避免了現有采用共燒工藝制作壓電驅動器時存在的問題，簡化了壓電驅動器制作過程，提高了壓電驅動器制作的效率，降低制作成本；同時，通過采用耐高溫無機聚合硅凝膠材料將各壓電陶瓷片粘結在一起，消除了壓電陶瓷片之間的蠕變，可有效提高制作得到的壓電驅動器的性能，可有效提高能量轉換效率；此外，通過采用耐高溫無機聚合硅凝膠作為粘結劑，可有效改善壓電驅動器在高溫下工作的可靠性，可適用于高溫環境下的應用需求。本實施例中，所述的耐高溫無機聚合硅凝膠可為耐500°C以上高溫的無機聚合硅凝膠，例如，可采用硅酸鎂、磷酸鋁與無機高分子聚合物混合形成。具體地，可將硅酸鎂、磷酸鋁等細小無機顆粒與無機高分子聚合物混合形成無機粘結劑，其可具有較強的粘結強度和較好的耐高溫特性，因此，可作為耐高溫無機聚合硅凝膠粘結材料。本實施例中，所述的壓電陶瓷片可采用居里溫度高于120°C的壓電材料制作得到，具體地，本實施例中，壓電陶瓷片的居里溫度介于40(T50(TC之間。具體地，制作壓電陶瓷片的材料可為鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體，該鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體的化學式可表示為(1-x)BiSc03-xPbTi03，其中:0. 2 彡 x〈l。本實施例中，壓電陶瓷片可利用固相反應法制備得到，具體地，在上述的步驟101之前，可通過固相反應法制備得到壓電陶瓷片，下面將以鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體制備壓電陶瓷片的過程進行說明。圖2為本發明實施例中壓電陶瓷片的制備方法示意圖。如圖2所示，壓電陶瓷片的制備過程可包括以下步驟步驟201、確定制作壓電陶瓷片的材料，進行配料。具體地，確定制作壓電陶瓷片的材料即鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體的化學式，并按化學式的化學計量比稱重并配料，得到制作壓電陶瓷片的材料。本實施例中，采用化學式為0. 633BiSc03-0. 367PbTi03的鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體，在配制該固溶體時，采用純度大于99. 9%的Bi203、Sc203、PbO和Ti02粉末，并按照化學式中的計量比稱重，混合，配置得到若干克粉料；在混合得到的粉料中，加入適量無水乙醇作球磨劑，用氧化鋯球作球磨介質，且三者的重量比例為粉料氧化鋯球乙醇=1 :1. 5 1 ;放在球磨機內球磨24小時，使氧化物充分混合并磨細。步驟202、對上述步驟201研磨得到的氧化物混合物進行煅燒，得到固溶體粉末。具體地，可首先將上述步驟201研磨后得到的混合物在80°C下進行干燥，然后，以5°C /分速度升溫到450°C，保溫2小時，再以同樣速率升溫到750°C，保溫4小時，形成具有一定晶體結構的固溶體粉末；其后，將粉末再球磨24小時，使顆粒細化；最后，進行二次煅燒，并再次進行球磨，得到顆粒細小均勻的固溶體粉末。該步驟中，氧化物混合物在750°C下通過煅燒4小時，可使得氧化物之間發生固相化學反應，形成具有鈣鈦礦晶體結構的固溶體粉末。步驟203、將上述步驟202得到的固溶體粉末進行成型，得到素坯。具體地，將上述步驟202得到的固溶體粉末取出，加入3%的聚乙烯醇粘結劑，充分混合，造粒并過80目篩后，取出適量粉末放入模具中，在120MPa的壓力下成型，得到所需要尺寸的方形素坯。該步驟中，通過80目篩可有效提高獲得的顆粒的流動性和壓 制性能，并可在120MPa壓力下單向壓制成型，獲得素坯。步驟204、對上述步驟203獲得的素坯繼續進行煅燒，得到鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體陶瓷。具體地，將上述步驟203得到的方形素坯以1°C /分速率升溫到450°C，保溫3小時，再在2°C /分速率下升溫到600°C，保溫3小時，之后隨爐冷卻，該過程可充分排除掉素坯中的聚乙烯醇粘結劑有機物質。隨后，將素坯放置于密封的坩堝中，以5°C /分速率升溫至105(T115(TC，保溫6(T180分鐘；然后隨爐冷卻，最終得到收縮的陶瓷片，其收縮率為18%,即為致密均一的鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體陶瓷。該步驟中，首先去除素坯中含有的粘結劑有機物，然后在1050-1150°C下進行燒結，從而可得到致密、均一的鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體陶瓷。步驟205、對上述步驟204得到的固溶體陶瓷進行加工，得到厚度為0. I-IOmm的陶瓷片。具體地，可將上述步驟204得到的方形陶瓷經拋光、超聲清洗、烘干等流程將燒結致密的壓電陶瓷制成厚度為0. riOmm的陶瓷片。按照步驟201-步驟205就可以制備出所需數量的壓電陶瓷片。實際應用中，也可根據需要采用扎膜方法制備得到更薄尺寸的壓電陶瓷片，例如0. 02mm-0. 2mm的壓電陶瓷片。通過上述步驟獲得厚度一定的陶瓷片之后，就可以按照圖I所示步驟，制作得到壓電驅動器。具體地，本實施例中，制成的壓電陶瓷片的厚度為Imm;在壓電陶瓷片的表面制作的內電極中導電材料為重量比為100%的銀，其中銀材料的性能參數為壓電常數d33=441pC/N、介電常數￡=1051，介電損耗tan 0=3%，徑向機電耦合系數kp=0. 58。此外，在壓電陶瓷片粘結而成的一體化結構的兩個相對側面上燒制或濺射外電極也是銀電極。本實施例中，內電極和外電極時通過燒制而成，且燒制溫度為500°C -900°C，使得銀電極制作時，可減少電極與陶瓷之間的相互滲透，提高器件工作的可靠性。而且，相對于現有采用銀鈀電極可具有成本低廉的優勢。此外，本實施例中，內電極和外電極也可采用其他金屬電極，例如銅電極、鎳電極、金電極等，或者也可為銀、銅、鎳、金等兩種以上金屬混合的混合金屬電極，對此本實施例并不做特別限制。實際應用中，可根據需要，通過步驟201-步驟205獲得的壓電陶瓷片的厚度可為
0.02-10mm之間，以滿足實際需要；此外，壓電陶瓷片上內電極的寬度小于壓電陶瓷片的寬度，以確保制作的壓電驅動器的工作性能。實際應用中，可根據需要，設置合適數量的壓電陶瓷片粘結形成一體化結構的壓電驅動器，例如壓電陶瓷片的數量可位于2-1000之間，本實施例中壓電陶瓷片的數量為10個。本實施例中，為確保壓電驅動器的工作性能，在每個壓電陶瓷片上、下表面制作的內電極，其電極圖案大小、形狀相同，但反對稱設置；壓電陶瓷片的一端與外電極電連接，另一端通過未涂電極的壓電陶瓷區域本身與外電極電隔離，且相鄰兩個陶瓷片中，與外電極連接的一端是交錯設置，從而使得一體化結構的多層陶瓷中，各壓電陶瓷片在電路上可形成并聯連接。實際應用中，壓電陶瓷片上制作的內電極的圖案可根據需要設置成合適的圖案，本實施例中，制作在壓電陶瓷片的上表面和下表面的內電極圖案大小、形狀一致，一端與壓電陶瓷片的一側平齊，一端與壓電陶瓷片的一側具有一定距離間隙，使得上下表面上的兩個內電極反對稱交錯設置。這樣，多個陶瓷片通過交互層疊，使得相鄰兩個壓電陶瓷片上的內電極可分別與兩側的外電極相鄰，將各壓電陶瓷片在電路上形成并聯連接。為了避免壓電陶瓷片不充分的厚度極化，所述壓電陶瓷片上、下面的電極寬度w小于陶瓷片的寬度W，且上下面電極反對稱端面設置；陶瓷片上任一表面的電極到側面的間隙d=W_w，應該大于 該壓電陶瓷片的厚度t。本實施例中，如圖4所示，壓電陶瓷片101的整體厚度為L，上下表面的電極寬度w小于壓電陶瓷片101的寬度W，且上下表面的電極相對兩側面反對稱設置；壓電陶瓷片101的任一表面上的電極到側面的間隙d=W-w，且間隙d大于壓電陶瓷片的厚度
to圖3為根據本發明制作得到壓電驅動器所測得的電壓-微位移曲線圖。如圖3所示，其中橫坐標為電場強度，縱坐標微位移，可以看出，隨著溫度升高，在相同的測試電場強度下，根據本發明實施例制作得到的壓電驅動器位移增大，且能夠在200°C下穩定工作。本發明提供的壓電驅動器制作方法，通過采用耐高溫無機聚合硅凝膠粘結，避免了傳統多層共燒方法因銀電極擴散所導致壓電性能下降、退化的問題，同時，也可避免傳統環氧樹脂粘接方法不能承受高溫的固有缺陷，提高了機電轉換效率，所獲得的高溫壓電驅動器具有更優異的電性能和一致性更好。本發明提供的壓電驅動器制作方法可具有制作工藝簡單，成本低廉的優勢，可制備適用于高溫環境下工作的壓電驅動器。圖4為本發明實施例二提供的壓電驅動器的結構示意圖。如圖4所示，本實施例壓電驅動器為由上述圖I所示方法制作得到，該壓電驅動器10包括多層壓電陶瓷片101，各壓電陶瓷片101的上下表面均設置有內電極102，且壓電驅動器10上相對的兩側分別設置有外電極103，以將各壓電陶瓷片101在電路上形成并聯連接，且各壓電陶瓷片101均為沿厚度方向極化，相鄰兩個壓電陶瓷片的極化方向相反，其具體實現可參見上述本發明方法實施例的說明，在此不再贅述。本實施例壓電驅動器可在外加的電壓作用下，使得各壓電陶瓷片共同沿厚度方向伸長或縮短，從而實現所需的位移，其具體實現過程與傳統壓電驅動器相同或類似，在此不再贅述。最后應說明的是以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。·
權利要求
1.一種壓電驅動器制作方法，其特征在于，包括 在壓電陶瓷片的上下表面分別制作預設圖案的內電極； 通過耐高溫無機聚合硅凝膠材料，將制作內電極后的多個壓電陶瓷片粘結在一起，形成一體化結構的多層陶瓷； 在所述一體化結構的多層陶瓷的相対的兩個側面上分別制作外電極，以將各壓電陶瓷片在電路上形成并聯連接； 對所述一體化結構的多層陶瓷進行極化，得到所述壓電驅動器。
2.根據權利要求I所述的壓電驅動器制作方法，其特征在于，所述耐高溫無機聚合硅凝膠為硅酸鎂、磷酸鋁與無機高分子聚合物混合形成。
3.根據權利要求I所述的壓電驅動器制作方法，其特征在于，所述耐高溫無機聚合硅凝膠為耐500°C以上高溫的無機聚合硅凝膠。
4.根據權利要求3所述的壓電驅動器制作方法，其特征在于，所述壓電陶瓷片為采用居里溫度高于120°C的壓電材料制作得到。
5.根據權利要求4所述的壓電驅動器制作方法，其特征在于，所述壓電陶瓷片的材料為鈧酸秘-鈦酸鉛固溶體，所述鈧酸秘-鈦酸鉛固溶體的化學式為(I-X)BiScO3-XPbTiO3,其中0. 2彡x〈l。
6.根據權利要求1-5任一所述的壓電驅動器制作方法，其特征在于，所述在壓電陶瓷片的上下表面分別制作預設圖案的電極之前還包括 利用固相反應法制備壓電陶瓷片。
7.根據權利要求I所述的壓電驅動器制作方法，其特征在于，所述壓電陶瓷片上下表面的電極寬度w小于陶瓷片的寬度W，且上下表面的電極相對兩側面反對稱設置； 所述陶瓷片的任一表面上的電極到側面的間隙d=W-w，且所述間隙d大于所述壓電陶瓷片的厚度t。
8.根據權利要求I所述的壓電驅動器制作方法，其特征在于，所述內電極和外電極為銀電極、銅電扱、鎳電極、金電極或上述至少兩種金屬混合的混合金屬電極。
9.根據權利要求8所述的壓電驅動器制作方法，其特征在于，所述內電極和外電極通過燒制或濺射而成。
10.ー種采用權利要求1-9任一所述的壓電驅動器制作方法制作得到的壓電驅動器。
全文摘要
本發明提供一種壓電驅動器制作方法及壓電驅動器。該方法包括在壓電陶瓷片的上下表面分別制作預設圖案的內電極；通過耐高溫無機聚合硅凝膠材料，將制作內電極后的多個壓電陶瓷片粘結在一起，形成一體化結構的多層陶瓷；在所述一體化結構的多層陶瓷的相對的兩個側面上分別制作外電極，以將各壓電陶瓷片在電路上形成并聯連接；對所述一體化結構的多層陶瓷進行極化，得到所述壓電驅動器。本發明壓電驅動器制作簡單，具有較好的耐高溫性能，工作穩定可靠。
文檔編號H01L41/22GK102683576SQ20121014735
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月11日 優先權日2012年5月11日
發明者董蜀湘, 陳建國 申請人:北京大學