氧化铝基板上pnn-pzn-pzt多层并联压电厚膜的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种在A1203基板上制备 PNN-PZN-PZT(铌锌-铌镍-锆钛酸铅）多层并联压电厚膜的方法。
【背景技术】
[0002] 低温共烧陶瓷（LowTemperatureCo-firedCeramic，简称LTCC)是集互联、无源 元件和封装与一体的多层陶瓷制造技术，它采用厚膜材料，根据预先设计的结构，将电极材 料、基板、电子器件等在900°C以下共烧，从而制成模块化集成器件或三维陶瓷基多层电路。 近年来随着对大功率压电材料与器件的要求的不断提高，压电陶瓷器件向体积小、驱动电 压低、位移量大、能集成化的方向发展，低温共烧多层压电陶瓷的研究成为热点。
[0003] 传统的PZT陶瓷器件往往用粘结剂将压电陶瓷片粘结成多层压电陶瓷，由于受单 片陶瓷厚度的限制，无法实现小型化、集成化，多层元器件中的粘结剂与陶瓷片结合不紧 密，易分离造成性能恶化，甚至出现断裂，无法长期使用。然而，低温共烧陶瓷层间通过与内 电极直接结合而不再需粘结剂粘合，结合紧密性大大提高，陶瓷层间的分层现象得到有效 地克服，大大地提高了器件的使用寿命，器件的蠕变性能也得到很大的改善。此外，低温烧 结可以有效地避免PbO的挥发以及贵金属电极的使用，降低能耗、减轻环境污染、使产品成 本降低。综上所述，低温共烧多层压电陶瓷具有体积小、集成性高、工作电压低、响应时间 短、位移量大的优点，被广泛应用于叠层升降压变压器和叠层压电陶瓷微位移器等器件的 制备。
[0004] 多层并联压电厚膜的常用制备方法之一为丝网印刷法，它与其他方法（流延法、 水热法、溶胶凝胶法）相比，具有与MEMS技术完全兼容，厚度可以控制且厚度适宜，设备简 单、原料便宜、成本较低，所得压电厚膜致密度高，适合于大批量生产，可重复性好的优点。 但是由于丝网印刷法制备的厚膜致密性较差，气孔率较高，单层厚膜的性能较低，制约了其 应用性。多层并联压电厚膜性能呈层数倍线性增加，有效解决了单层厚膜性能较差的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的，是克服现有技术的丝网印刷法制备的压电厚膜致密性较差、气 孔率较高、单层厚膜的性能较低、制约其应用性的缺点，提供一种在A1203基板上制备 PNN-PZN-PZT多层并联压电厚膜的方法，以在较小厚度下获得高压电常数、高应变、低驱动 电压的压电材料；另外采用银浆作为电极材料，有效降低生产成本。
[0006] 本发明通过如下技术方案予以实现：
[0007] -种氧化铝基板上PNN-PZN-PZT多层并联压电厚膜的制备方法，具有如下步骤：
[0008] (1)配料
[0009] 将原料Pb304、Zr02、Ti02、Nb205、Ni203和ZnO按 0· 7Pb(Zr0.46Ti0.54) 03-0.lPb(Zn1/3Nb2/3) 03-0. 2Pb(Ni1/3Nb2/3) 03的化学计量比配料，球磨4h，再于烘箱中烘干，研 磨后过筛，备用；
[0010] ⑵合成
[0011] 将步骤⑴中配制的粉料放入坩埚中压实，加盖用锆粉密封，于850°C合成，保温 2h；
[0012] ⑶二次球磨
[0013] 将步骤（2)的合成原料放入球磨罐中，二次球磨4~10h，然后放入烘箱中烘干，烘 干后研磨备用；
[0014] (4)制备玻璃料
[0015] 将原料？13304、氏803、510 2、41203按照15:2:7 :1的重量比配料，放入球磨罐中，球磨 4h，再烘干，研磨，过筛，备用；
[0016] (5)制备压电厚膜浆料
[0017] 称取步骤⑶的二次球磨后的粉料，加入lwt. %的步骤⑷的玻璃料和10wt. % 的有机载体，混合研磨使浆料成粘稠状并具有一定的流动性，达到适合印刷的状态；所述有 机载体为三乙醇胺、乙基纤维素和松油醇为1:4:45重量比的混合溶液；
[0018] (6)印刷厚膜和电极
[0019] 用蒸馏水将A1203基板超声清洗后烘干，采用丝网印刷法在A1 203基板上依次印刷 电极、压电厚膜层；重复印刷电极和压电厚膜层，交替层叠直至完成3~11层并联结构，首 层及最末层皆为电极；每印刷一层压电厚膜层或电极都要于120°C干燥lOmin，然后再继续 印刷；
[0020] (7)排胶与烧结
[0021] 将步骤（6)印刷好的压电厚膜样品进行烧制，升至800~900°C，保温60~90min， 随炉冷却，制得PNN-PZN-PZT多层并联压电厚膜样品；
[0022] ⑶极化
[0023] 将步骤（7)的压电厚膜样品置于140°C的硅油中，以6kV/mm的直流电压极化10~ 15min，保持电场强度，停止加热，使其自然冷却到室温；
[0024] (9)性能测试
[0025] 将步骤（8)经极化后的压电厚膜样品于室温下静置24h，测定压电及介电性能。
[0026] 所述步骤（1)的原料卩13304、2抑2、110 2、他205、附203和2110，均为市售的纯度彡99% 的化学纯原料。
[0027] 所述步骤（1)或步骤（3)或步骤（3)的球磨介质为去离子水和氧化锆球，球：料： 水的重量比为2:1:0. 5 ;球磨机的转速为750r/min。
[0028] 所述步骤（7)的烧结制度为：从室温1. 5°C/min升至200°C，保温30min;再以 1. 5°C/min升至 250°C，保温 40min;再以 1. 5°C/min升至 400°C，保温 60min;再以 3°C/min 升至800~900°C，保温60~90min;随炉冷却。
[0029] 本发明的有益效果如下
[0030] 1.生产成本低，采用丝网印刷技术和Ag电极，烧结温度仅为900°C，远低于传统压 电陶瓷的烧结温度，有利于大规模工业化生产。
[0031] 2.在A1203基板上获得了平整且高性能的多层并联压电厚膜材料。五层样品的性 能为：d33= 1021pC/N，ε33τ/ε。= 1167，tanδ= 1. 92%，Pr= 56. 44μC/cm2。十一层样 品性能为：d33=1835pC/N，ε33T/e〇=l〇〇3，tanS=2.6%，Pr= 86.776yC/cm2，S33 = 0.66%。且理论上，并联层数越多，压电性能越好。
[0032] 3.与压电块体材料相比，多层并联压电厚膜大大降低了驱动电压，在较低电压下 可以获得较大的驱动力和位移。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明实施例1的五层并联压电厚膜结构示意图；
[0034] 图2为本发明实施例1的表面SEM分析图；
[0035] 图3为本发明实施例2的断面SEM和EDX分析图；
[0036] 图4为本发明实施例2的电压一应变和电压一位移曲线图。
【具体实施方式】
[0037] 本发明所用原料Pb304、Zr02、Ti02、Nb205、Ni203和ZnO,均为市售的纯度彡99%的 化学纯原料，采用传统固相烧结方法，具体实施例如下：
[0038] 实施例1
[0039] (1)配料
[0040] 将原料Pb304、Zr02、Ti02、Nb205、Ni203和ZnO按 0· 7Pb(Zr0.46Ti0.54) 03-0.lPb(Zn1/3Nb2/3) 03-0. 2Pb(Ni1/3Nb2/3) 03的化学计量比配料，放入球磨罐中，球磨介质为 去离子水和氧化锆球，球：料：水的重量比为2:1: