专利名称：一种制备pzt压电陶瓷薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种压电陶瓷薄膜的制备方法，尤其涉及一种锆钛酸铅(PZT)压电陶 瓷薄膜的低温晶化制备方法。
背景技术：
压电陶瓷具有正、逆压电效应、响应快、功耗低、位移分辩率高等优点，作为传感器 和驱动器在精密机械、电子技术、生物工程、通讯技术等多个领域得到了广泛的应用。随着MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、微电子系统的发展，对压电功 能器件的小型化、微型化提出了越来越高的要求。由于压电陶瓷薄膜的厚度仅为几十纳米 到几个微米，并且兼有单晶和陶瓷的优点，即表面光滑致密、易于制造、价格低廉、便于调变 性能、可靠稳定，引起了人们特别的关注。使用薄膜可以使压电器件达到平面化和集成化， 使压电材料与半导体材料紧密地结合，实现压电与载流子、声波与光波的相互作用，制成各 种新型压电与声光的单片集成器件。一般压电薄膜的厚度仅为几十纳米到几个微米，因此 可以通过特殊方法实现与MEMS工艺的结合，制造成为MEMS意义上的微型传感器和执行器。PZT压电陶瓷薄膜(分子式为H^rxTihO3 x=0-0. 6)因具有良好的机电耦合特性、 高居里温度点、强自发极性等众多优异性能而被广泛地应用于光、电、热、声等高科技领域， 尤其在微电子和光电子领域内有着广阔的应用前景。虽然溶胶-凝胶法制备陶瓷薄膜具有众多优点，但是通常需要进一步加热以控制 化学计量比和优化晶粒取向，制得的薄膜致密性较差，干燥处理过程中易出现龟裂现象，薄 膜结构和生产速率对基片和电极材料很敏感。然而水热法可以弥补溶胶-凝胶法制备陶瓷 薄膜的不足，它是在液相中一次完成，不需要后期的高温退火热处理，这就避免了薄膜在热 处理过程中可能导致的卷曲、开裂、晶粒粗化，薄膜与衬底或气氛反应等缺陷；而且水热法 制备薄膜的设备简单，水热处理温度较低，避免了水热处理前后薄膜与衬底成分的互扩散， 所得薄膜纯度高，均一性好；薄膜与衬底结合牢固，不但不受衬底形状和尺寸限制，且可以 控制薄膜中晶相颗粒大小。水热法也属于环境友好型薄膜制备方法。
发明内容
1、技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种在低环境温度(150-300 0C) 和水热条件下制备PZT压电陶瓷薄膜的方法。2、技术方案为了解决上述的技术问题，本发明的制备PZT压电陶瓷薄膜的方法 包括下列步骤
步骤一分别称取 Pb (CH3COO) 2 · 3H20 溶液、Zr (NO3) 4 · 5H20 溶液和 Ti (OC4H9) 4 溶液，并 混合溶于有机溶剂中，得到混合溶液，再调节所得混合溶液PH值至3. 0-5. 5，得到锆钛酸铅 前驱体溶胶；所述的有机溶剂为乙酰丙酮和甲酰胺的混合液，一般采用乙酸调节所得混合 溶液的PH值。步骤二 利用所得的锆钛酸铅前驱体溶胶成膜，成膜过程一般在勻胶机勻胶(spin-coating)完成，也可以采用本技术领域其他常用的浸渍提拉(dip-coating)、喷涂 (spraying)或刷涂(painting)等方法成膜；
步骤三将所得的膜在150-300冗下进行预热处理l-16h ；为了达到成型好的湿膜，一 般重复步骤二、三3至10次；
步骤四在150-300 °C水热条件下，将所得的湿膜进行水热处理l-36h，得到晶化的锆 钛酸铅薄膜；所述的水热处理条件可以是在水溶液中进行处理，也可以是在水热蒸汽条件 下的水热处理。本发明的低温晶化方法将溶胶-凝胶法和水热法结合在一起，利用溶胶-凝胶法 制备湿膜，然后通过水热处理，使其晶粒生长，得到致密性较高的薄膜。3、有益效果
本发明针对目前PZT压电薄膜制备方法中的不足，尤其是溶胶-凝胶法制备薄膜需 要后期的晶化热处理，带来宏观缺陷的问题，结合溶胶-凝胶法和水热法制备薄膜的优点， 采用水热-溶胶凝胶法制备锆钛酸铅压电薄膜，减少薄膜的宏观缺陷和裂纹，以便减少薄 膜电极间的漏电流值，提高薄膜的压电特性，同时可促进PZT压电陶瓷薄膜在纳米制造、 MEMS、超精密加工等领域的应用。
具体实施例方式实施例一
称取Pb(CH3COO)2 · 3H20、Zr(NO3)4 · 5H20、Ti (OC4H9) 4，再分别溶于乙二醇和甲醚的混合 液中，制得一定浓度的1 (CH3COO) 2 ·3Η20溶液、& (NO3) 4 ·5Η20溶液和Ti (OC4H9) 4溶液，再各 取一定量的三种溶液混合，然后加入乙酰丙酮和甲酰胺，同时加入乙酸来调节PH值至3. 0， 最终制成锆钛酸铅前驱体溶胶。采用旋转镀膜法，利用制成的锆钛酸铅前驱体溶胶在勻胶机上进行镀膜，转速 4000r/min，时间30s。将所制的湿膜250° C下烘干，保温lh。重复上述工艺过程，一共镀膜 6次。最后将薄膜在250° C下水热处理4h。实施例二
称取Pb(CH3COO)2 · 3H20、Zr(NO3)4 · 5H20、Ti (OC4H9) 4，再分别溶于乙二醇和甲醚的混合 液中，制得一定浓度的Pb (CH3COO) 2 · 3H20溶液、ττ (NO3) 4 · 5Η20溶液和Ti (OC4H9) 4 溶液， 再各取一定量的三种溶液混合，然后加入乙酰丙酮和甲酰胺，同时加入乙酸来调节PH值至 5. 5，最终制成锆钛酸铅前驱体溶胶。接着采用喷涂法镀膜，将所制的湿膜在200°C下烘干，保温10h。重复上述工艺过 程，一共喷涂10次。最后将薄膜在300° C下水热处理Mh。
权利要求
1.一种制备PZT压电陶瓷薄膜的低温晶化方法，其特征在于，包括下列步骤 步骤一分别称取Pb (CH3COO) 2 · 3H20溶液、& (NO3) 4 · 5H20溶液和Ti (OC4H9) 4溶液，并混合溶于有机溶剂中，得到混合溶液，再调节所得混合溶液PH值至3. 0-5. 5，得到锆钛酸铅 前驱体溶胶；步骤二 在勻胶机上利用所得的锆钛酸铅前驱体溶胶成膜； 步骤三将所得的膜在150-300 ° C下进行预热处理l-16h ；步骤四在150-300 °C水热条件下，进行水热处理l-36h，得到晶化的锆钛酸铅薄膜。
2.如权利要求1所述的制备PZT压电陶瓷薄膜的低温晶化方法，其特征在于，步骤一中 的有机溶剂为乙酰丙酮和甲酰胺的混合液。
3.如权利要求1所述的制备PZT压电陶瓷薄膜的低温晶化方法，其特征在于，步骤一 中，利用乙酸调节所得混合溶液的PH值。
全文摘要
本发明公开了一种制备PZT压电陶瓷薄膜的方法，步骤为分别称取Pb(CH3COO)2·3H2O溶液、Zr(NO3)4·5H2O溶液和Ti(OC4H9)4 溶液，并混合溶于有机溶剂中，得到混合溶液，再调节所得混合溶液pH值至3.0-5.5，得到锆钛酸铅前驱体溶胶；利用所得的锆钛酸铅前驱体溶胶成膜；将所得的膜在150-300oC下进行预热处理1-16h；在150-300oC水热条件下，进行水热处理1-36h，得到晶化的锆钛酸铅薄膜。本发明针对目前PZT压电薄膜制备方法中的不足，减少薄膜的宏观缺陷和裂纹，减少薄膜电极间的漏电流值，提高其压电特性，同时可促进PZT压电陶瓷薄膜在纳米制造、MEMS、超精密加工等领域的应用。
文档编号C04B35/491GK102060531SQ20101056348
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者孟庆华, 季宏丽, 朱孔军, 董娜娜, 裘进浩 申请人:南京航空航天大学