一种织构化无铅压电陶瓷多层驱动器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种织构化无铅压电陶瓷多层驱动器及其制备方法，属于电子陶瓷材料与器件技术领域。
【背景技术】
[0002]压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，基于这个原理制作的精确控制机构一压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都具有极其重要的作用。这些应用要求压电陶瓷驱动器体积小、驱动电压低、位移量大、能集成化。然而，普通压电陶瓷的体积一般比较大，压电陶瓷的驱动场强一般也比较高(几百V/mm)。为了实现低压驱动并且减小压电陶瓷的体积，人们提出了多层压电陶瓷驱动器的概念，即通过多层陶瓷技术叠加多层陶瓷膜材料使得在低压驱动下也能达到高压驱动的效果。多层压电陶瓷驱动器在位移特性和驱动力等方面有着很大优点，其尺寸也可通过调控陶瓷膜层的厚度来控制，从而大大扩展了压电陶瓷驱动器应用发展的空间。
[0003]目前，市场上压电陶瓷驱动器使用的大都是含铅压电陶瓷。但是，铅基压电陶瓷中氧化铅(Pbo)含量约占60?70%左右，PbO是高温下易挥发的有毒物质，使得铅基压电陶瓷在制备、使用以及废弃物处理过程中都会给人类生活及生态环境带来严重危害。为了保护地球以及社会经济的可持续发展，各国对环境保护日渐重视。欧盟立法制定了《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》(RoHS)，并已于2006年7月1日开始正式实施。美国、日本等发达国家也纷纷出台措施和政策禁止含铅电子材料的使用。我国也逐年提高了对无铅材料研究项目的支持力度。因此，开发环境友好型的无铅压电陶瓷驱动器是未来发展的趋势和要求。然而，无铅压电陶瓷的压电性能与铅基陶瓷相比仍然有一定的差距，要想取代铅基压电陶瓷还须进一步提高其压电性能。
[0004]目前，多层压电陶瓷驱动器包括陶瓷基体、内电极和外端电极，其中内电极与外端电极相结合实现多层陶瓷体的电气并联。很多专利都详细介绍了这种传统多层压电驱动器的电极结构，比如中国专利CN101552318A《多层压电驱动器的制造方法和多层压电驱动器》、美国专利US7429817B2《Multilayer Piezoelectric Element》。由于存在外端电极，在内电极与陶瓷厚膜共烧之后还得制备外端电极，使得制备工艺比较复杂。而且Uchino等人在论文《Multilayer Ceramic Actuators》中提到，内电极两端的非活动区域在施加电场的作用下应力会比较大，容易导致裂纹的产生，从而影响多层陶瓷器件的寿命。另外，外端电极在驱动器的使用过程中由于不断的形变也容易导致开裂而使功能失效。由于这些缺点，内电极与外端电极相结合的电极结构并不是多层陶瓷器件理想的电极结构。
【发明内容】
[0005]针对上述面临的问题，本发明的目的是提供一种织构化无铅压电陶瓷多层驱动器及其制备方法，以提高无铅压电陶瓷多层驱动器的性能和寿命。由于陶瓷织构化是提高无铅压电陶瓷性能的重要方法，本发明将无铅压电陶瓷的织构化与多层陶瓷工艺相结合以提高多层驱动器的压电性能。另外，本发明设计了新的多层陶瓷驱动器的电极结构，避免了传统驱动器结构中外端电极结构的缺陷。
[0006]在此，本发明提供一种织构化无铅压电陶瓷多层驱动器，包括:叠层设置的多层织构化陶瓷厚膜，包括分别印刷有层状电极的陶瓷面层、至少一层陶瓷内层和陶瓷底层；贯穿所述陶瓷面层和陶瓷内层的第一通孔；贯穿所述陶瓷内层和陶瓷底层的第二通孔；填充所述第一通孔的第一连接电极；以及填充所述第二通孔的第二连接电极；其中第一通孔和第二通孔分别位于所述织构化陶瓷厚膜的相对两侧，所述陶瓷内层上的层状电极具有条状缝隙，所述条状缝隙位于第一通孔和第二通孔之间，且相邻两层陶瓷内层上的条状缝隙不重置。
[0007]本发明将无铅压电陶瓷织构化与多层陶瓷工艺相结合；采用通孔内电极连接结构取代外端电极与内电极相结合的电极连接结构。本发明的织构化无铅压电陶瓷多层驱动器采用无铅压电陶瓷作为驱动器的陶瓷基体，有利于环境保护；将无铅压电陶瓷的织构化与多层陶瓷工艺相结合，提高了无铅压电陶瓷多层驱动器的性能；设计了通孔内电极连接结构，省去了外端电极，简化了制备工艺并有利于提高多层驱动器的寿命。
[0008]本发明中，所述陶瓷面层和陶瓷内层之间、相邻陶瓷内层之间、或者陶瓷内层和陶瓷底层之间还设置有未印刷电极的空白陶瓷厚膜。
[0009]本发明中，相邻层状电极之间的距离可根据实际需要进行设计。
[0010]本发明还提供一种织构化无铅压电陶瓷多层驱动器的制备方法，所述制备方法包括:步骤1):制备无铅压电陶瓷粉体及织构化模板晶粒；步骤2):将陶瓷粉体和织构化模板晶粒与溶剂、粘结剂、分散剂和增塑剂等有机物混合制成流延浆料，通过流延成型得到陶瓷厚膜；步骤3):将陶瓷厚膜切片，打通孔，将打好的通孔填充连接电极，在陶瓷厚膜表面印刷层状电极；步骤4):按照设计的层数将多个陶瓷厚膜进行叠层、等静压后烧制成一体化多层压电陶瓷器件；步骤5):将烧制好的一体化多层陶瓷进行极化，得到织构化无铅压电陶瓷多层驱动器。
[0011]较佳地，步骤1)中，制备无铅压电陶瓷粉体使用的压电陶瓷为钙钛矿结构无铅压电陶瓷，优选钛酸钡基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠基无铅压电陶瓷或铌酸钾钠基无铅压电陶
bL.Ο
[0012]较佳地，步骤1)中，所述无铅压电陶瓷粉体尺寸应小于400纳米。
[0013]较佳地，步骤1)中，采用拓扑微晶转化法制备织构化模板晶粒，所述织构化模板晶粒的形貌具有各向异性，所述织构化模板晶粒的尺寸的纵横比大于10。
[0014]较佳地，步骤1)中，所述织构化模板晶粒的尺寸为所述无铅压电陶瓷粉体尺寸的5倍以上，所述织构化模板晶粒的摩尔比占陶瓷粉体的5%?15%。
[0015]较佳地，步骤2)中，溶剂为质量比为1:1的乙醇和乙酸乙酯的混合溶液，混合溶液(即溶剂)与陶瓷粉体的质量比为0.36?0.45:1 ;粘结剂为聚乙烯缩丁醛脂，并与溶剂以1:2的质量比混合配成溶液，粘结剂溶液与陶瓷粉体的质量比为0.27?0.32:1 ;分散剂为三油酸甘油酯，所述分散剂与陶瓷粉体的质量比为0.02?0.05:1 ;增塑剂为聚乙二醇和邻苯二甲酸丁苄酯，两者(即聚乙二醇和邻苯二甲酸丁苄酯)与粘结剂溶液的质量比均为0.07 ?0.10:1。
[0016]较佳地，步骤2)中流延成型得到的陶瓷厚膜厚度为20?80微米。
[0017]较佳地，步骤4)中等静压的温度为60?70 °C，压力为40?55MPa。
【附图说明】
[0018]图1为通孔内电极连接结构示意图；
图2为多层铌酸钾钠基无铅压电陶瓷驱动器制备流程示意图及各步骤样品实物照片； 图3为多层铌酸钾钠基无铅压电陶瓷驱动器断面SEM照片；
图4室温下不同测量电压下多层铌酸钾钠基无铅压电陶瓷驱动器纵向位移与施加电压的曲线。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0020]本发明提供一种新的电极结构，称为通孔内电极连接结构，如图1所示。在表面两层陶瓷厚膜1 一端打两个孔2，在内部每一层陶瓷厚膜两端共打四个通孔2，通孔2中填充电极，不同层状电极3之间利用通孔2中的电极来实现电气互连。另外，在每一层层状电极3靠边端留一条缝隙4 ( S卩、该缝隙上未印刷电极)，缝隙4位于通孔内侧2，相邻两层的缝隙位置不重