专利名称：压电驱动器制作方法及压电驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及压电驱动器技术，尤其涉及一种压电驱动器制作方法及压电驱动器。
背景技术：
压电驱动器，例如压电陶瓷微驱动器是利用压电材料的逆压电效应制作而成的新型固态执行器，其具有尺寸小、线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、能耗低、无噪声等优点，在精密光学、微型机械、微电子技术等高新技术领域得到了广泛应用。其中，根据驱动方式的不同，可将压电驱动器划分为刚性位移驱动器和谐振位移驱动器，刚性位移驱动器包括多层式驱动器、单(双)晶片驱动器、彩虹式(Rainbow)驱动器、月牙式(Moonie)驱动器和钹式(Cymbals)驱动器等。由于多层式驱动器具有承载力大、响应速度快、位移重复性好、体积效率高、电场控制相对简单等优点，是一种常见的压电驱动器，在精密机械领域得到了广泛应用。 目前，多层式驱动器制作时，通常是采用传统流延成膜多层共烧制备工艺，包括以下步骤(1)流延成型，其是在原料中加入有机溶剂后制作浆料，并将浆料流延得到膜层；
(2)烘干，即对流延得到的膜层进行烘干；(3)叠加，将烘干后的膜层镀上银电极，并进行叠加；(4)共烧，即将叠加后得到的多层膜高温煅烧，得到多层结构的压电驱动器。现有采用传统流延成膜多层共烧制备工艺中，需要使用有机溶剂，而有机溶剂通常有毒；共烧过程中，膜层上镀的银电极容易扩散，导致制作后的压电驱动器性能下降、退化；同时，现有制备工艺流程复杂，安全性较差，制作成本较高。此外，现有技术也有通过采用环氧树脂黏贴方式得到压电驱动器。综上，现有压电驱动器的多层共烧制备工艺中，多层共烧过程中易导致膜层上银电极扩散，压电陶瓷层之间易产生蠕变，使得压电驱动器的能量转换效率低，位移损失较大，压电驱动器性能较差；此外，现有压电驱动器制备工艺复杂，质量不易控制。而现有采用环氧树脂方式制备压电驱动器时，制备得到的压电驱动器无法适用于高温环境工作。
发明内容
本发明提供一种压电驱动器制作方法及压电驱动器，可有效克服现有技术采用共烧和通过环氧树脂制备得到的压电驱动器存在的问题，在简化压电驱动器制备工艺的前提下，可有效改进压电驱动器的驱动性能和提高工作温度适用范围。本发明提供一种压电驱动器制作方法，包括在压电陶瓷片的上下表面分别制作预设图案的内电极；通过耐高温无机聚合硅凝胶材料，将制作内电极后的多个压电陶瓷片粘结在一起，形成一体化结构的多层陶瓷；在所述一体化结构的多层陶瓷的相对的两个侧面上分别制作外电极，以将各压电陶瓷片在电路上形成并联连接；对所述一体化结构的多层陶瓷进行极化，得到所述压电驱动器。
上述的压电驱动器制作方法中，所述耐高温无机聚合硅凝胶为硅酸镁、磷酸铝与无机高分子聚合物混合形成。上述的压电驱动器制作方法中，所述耐高温无机聚合硅凝胶为耐500°C以上高温的无机聚合硅凝胶。上述的压电驱动器制作方法中，所述压电陶瓷片为采用居里温度高于120°C的压电材料制作得到。上述的压电驱动器制作方法中，所述压电陶瓷片材料的一个例子是采用钪酸铋-钛酸铅固溶体，所述钪酸铋-钛酸铅固溶体的化学式为(1-x) BiSc03-xPbTi03，其中
0.2 ≤ x〈l。上述的压电驱动器制作方法中，所述在压电陶瓷片的上下表面分别制作预设图案 的电极之前还包括利用固相反应法制备压电陶瓷片。上述的压电驱动器制作方法中，所述压电陶瓷片上下表面的电极宽度w小于陶瓷片的宽度W,且上下表面的电极相对两侧面反对称设置；所述陶瓷片的任一表面上的电极到侧面的间隙d=W-w，且所述间隙d大于所述压电陶瓷片的厚度t。上述的压电驱动器制作方法中，所述内电极和外电极均为银电极。其中，所述内电极和外电极通过烧制而成，且烧制温度为500°C -900°C。所述内电极也可以是铜、镍或金，或它们的混合电极；内电极也可以采用溅射方法制备。此外，本发明还提供一种压电驱动器，其采用上述本发明提供的压电驱动器制作方法制作得到。本发明提供的压电驱动器制作方法及压电驱动器，通过采用耐高温无机聚合硅凝胶粘结，避免了传统多层共烧方法因银电极扩散所导致压电性能下降、退化的问题，同时，也可避免传统环氧树脂粘接方法不能承受高温的固有缺陷，消除了压电陶瓷片之间的蠕变，可有效提高压电驱动器的能量转换效率，所获得的高温压电驱动器具有更优异的电性能和更好的一致性。本发明提供的压电驱动器制作方法具有制作工艺简单，成本低廉的优势，可制备适用于高温环境下工作的压电驱动器，且制作的压电驱动器质量稳定、可靠。
图I为本发明实施例一提供的压电驱动器制作方法的流程示意图；图2为本发明实施例中压电陶瓷片的制备方法示意图；图3为根据本发明制作得到压电驱动器所测得的电压-微位移曲线图；图4为本发明实施例二提供的压电驱动器的结构示意图。
具体实施例方式鉴于现有压电驱动器存在的问题，本发明实施例提供一种压电驱动器，可将多个压电陶瓷片以并联方式交互层叠、粘结后制成一体化多层结构的压电驱动器。下面将对本实施例压电驱动器制作方法以及压电驱动器结构进行说明。图I为本发明实施例一提供的压电驱动器制作方法的流程示意图。如图I所示，本实施例压电驱动器制作方法可包括以下步骤步骤101、在压电陶瓷片的上下表面分别制作预设图案的内电极；步骤102、通过耐高温无机聚合硅凝胶材料，将制作内电极后的多个压电陶瓷片粘结在一起，形成一体化结构的多层陶瓷；步骤103、在一体化结构的多层陶瓷的相对的两个侧面上分别制作外电极，以将各压电陶瓷片在电路上形成并联连接；步骤104、对一体化结构的多层陶瓷进行极化，得到压电驱动器。本实施例在制作压电驱动器时，可通过耐高温的无机聚合硅凝胶将多个压电陶瓷片粘结在一起，避免了现有采用共烧工艺制作压电驱动器时存在的问题，简化了压电驱动器制作过程，提高了压电驱动器制作的效率，降低制作成本；同时，通过采用耐高温无机聚合硅凝胶材料将各压电陶瓷片粘结在一起，消除了压电陶瓷片之间的蠕变，可有效提高制作得到的压电驱动器的性能，可有效提高能量转换效率；此外，通过采用耐高温无机聚合硅凝胶作为粘结剂，可有效改善压电驱动器在高温下工作的可靠性，可适用于高温环境下的应用需求。本实施例中，所述的耐高温无机聚合硅凝胶可为耐500°C以上高温的无机聚合硅凝胶，例如，可采用硅酸镁、磷酸铝与无机高分子聚合物混合形成。具体地，可将硅酸镁、磷酸铝等细小无机颗粒与无机高分子聚合物混合形成无机粘结剂，其可具有较强的粘结强度和较好的耐高温特性，因此，可作为耐高温无机聚合硅凝胶粘结材料。本实施例中，所述的压电陶瓷片可采用居里温度高于120°C的压电材料制作得到，具体地，本实施例中，压电陶瓷片的居里温度介于40(T50(TC之间。具体地，制作压电陶瓷片的材料可为钪酸铋-钛酸铅固溶体，该钪酸铋-钛酸铅固溶体的化学式可表示为(1-x)BiSc03-xPbTi03，其中:0. 2 彡 x〈l。本实施例中，压电陶瓷片可利用固相反应法制备得到，具体地，在上述的步骤101之前，可通过固相反应法制备得到压电陶瓷片，下面将以钪酸铋-钛酸铅固溶体制备压电陶瓷片的过程进行说明。图2为本发明实施例中压电陶瓷片的制备方法示意图。如图2所示，压电陶瓷片的制备过程可包括以下步骤步骤201、确定制作压电陶瓷片的材料，进行配料。具体地，确定制作压电陶瓷片的材料即钪酸铋-钛酸铅固溶体的化学式，并按化学式的化学计量比称重并配料，得到制作压电陶瓷片的材料。本实施例中，采用化学式为0. 633BiSc03-0. 367PbTi03的钪酸铋-钛酸铅固溶体，在配制该固溶体时，采用纯度大于99. 9%的Bi203、Sc203、PbO和Ti02粉末，并按照化学式中的计量比称重，混合，配置得到若干克粉料；在混合得到的粉料中，加入适量无水乙醇作球磨剂，用氧化锆球作球磨介质，且三者的重量比例为粉料氧化锆球乙醇=1 :1. 5 1 ;放在球磨机内球磨24小时，使氧化物充分混合并磨细。步骤202、对上述步骤201研磨得到的氧化物混合物进行煅烧，得到固溶体粉末。具体地，可首先将上述步骤201研磨后得到的混合物在80°C下进行干燥，然后，以5°C /分速度升温到450°C，保温2小时，再以同样速率升温到750°C，保温4小时，形成具有一定晶体结构的固溶体粉末；其后，将粉末再球磨24小时，使颗粒细化；最后，进行二次煅烧，并再次进行球磨，得到颗粒细小均匀的固溶体粉末。该步骤中，氧化物混合物在750°C下通过煅烧4小时，可使得氧化物之间发生固相化学反应，形成具有钙钛矿晶体结构的固溶体粉末。步骤203、将上述步骤202得到的固溶体粉末进行成型，得到素坯。具体地，将上述步骤202得到的固溶体粉末取出，加入3%的聚乙烯醇粘结剂，充分混合，造粒并过80目筛后，取出适量粉末放入模具中，在120MPa的压力下成型，得到所需要尺寸的方形素坯。该步骤中，通过80目筛可有效提高获得的颗粒的流动性和压 制性能，并可在120MPa压力下单向压制成型，获得素坯。步骤204、对上述步骤203获得的素坯继续进行煅烧，得到钪酸铋-钛酸铅固溶体陶瓷。具体地，将上述步骤203得到的方形素坯以1°C /分速率升温到450°C，保温3小时，再在2°C /分速率下升温到600°C，保温3小时，之后随炉冷却，该过程可充分排除掉素坯中的聚乙烯醇粘结剂有机物质。随后，将素坯放置于密封的坩埚中，以5°C /分速率升温至105(T115(TC，保温6(T180分钟；然后随炉冷却，最终得到收缩的陶瓷片，其收缩率为18%,即为致密均一的钪酸铋-钛酸铅固溶体陶瓷。该步骤中，首先去除素坯中含有的粘结剂有机物，然后在1050-1150°C下进行烧结，从而可得到致密、均一的钪酸铋-钛酸铅固溶体陶瓷。步骤205、对上述步骤204得到的固溶体陶瓷进行加工，得到厚度为0. I-IOmm的陶瓷片。具体地，可将上述步骤204得到的方形陶瓷经抛光、超声清洗、烘干等流程将烧结致密的压电陶瓷制成厚度为0. riOmm的陶瓷片。按照步骤201-步骤205就可以制备出所需数量的压电陶瓷片。实际应用中，也可根据需要采用扎膜方法制备得到更薄尺寸的压电陶瓷片，例如0. 02mm-0. 2mm的压电陶瓷片。通过上述步骤获得厚度一定的陶瓷片之后，就可以按照图I所示步骤，制作得到压电驱动器。具体地，本实施例中，制成的压电陶瓷片的厚度为Imm;在压电陶瓷片的表面制作的内电极中导电材料为重量比为100%的银，其中银材料的性能参数为压电常数d33=441pC/N、介电常数￡=1051，介电损耗tan 0=3%，径向机电耦合系数kp=0. 58。此外，在压电陶瓷片粘结而成的一体化结构的两个相对侧面上烧制或溅射外电极也是银电极。本实施例中，内电极和外电极时通过烧制而成，且烧制温度为500°C -900°C，使得银电极制作时，可减少电极与陶瓷之间的相互渗透，提高器件工作的可靠性。而且，相对于现有采用银钯电极可具有成本低廉的优势。此外，本实施例中，内电极和外电极也可采用其他金属电极，例如铜电极、镍电极、金电极等，或者也可为银、铜、镍、金等两种以上金属混合的混合金属电极，对此本实施例并不做特别限制。实际应用中，可根据需要，通过步骤201-步骤205获得的压电陶瓷片的厚度可为
0.02-10mm之间，以满足实际需要；此外，压电陶瓷片上内电极的宽度小于压电陶瓷片的宽度，以确保制作的压电驱动器的工作性能。实际应用中，可根据需要，设置合适数量的压电陶瓷片粘结形成一体化结构的压电驱动器，例如压电陶瓷片的数量可位于2-1000之间，本实施例中压电陶瓷片的数量为10个。本实施例中，为确保压电驱动器的工作性能，在每个压电陶瓷片上、下表面制作的内电极，其电极图案大小、形状相同，但反对称设置；压电陶瓷片的一端与外电极电连接，另一端通过未涂电极的压电陶瓷区域本身与外电极电隔离，且相邻两个陶瓷片中，与外电极连接的一端是交错设置，从而使得一体化结构的多层陶瓷中，各压电陶瓷片在电路上可形成并联连接。实际应用中，压电陶瓷片上制作的内电极的图案可根据需要设置成合适的图案，本实施例中，制作在压电陶瓷片的上表面和下表面的内电极图案大小、形状一致，一端与压电陶瓷片的一侧平齐，一端与压电陶瓷片的一侧具有一定距离间隙，使得上下表面上的两个内电极反对称交错设置。这样，多个陶瓷片通过交互层叠，使得相邻两个压电陶瓷片上的内电极可分别与两侧的外电极相邻，将各压电陶瓷片在电路上形成并联连接。为了避免压电陶瓷片不充分的厚度极化，所述压电陶瓷片上、下面的电极宽度w小于陶瓷片的宽度W，且上下面电极反对称端面设置；陶瓷片上任一表面的电极到侧面的间隙d=W_w，应该大于 该压电陶瓷片的厚度t。本实施例中，如图4所示，压电陶瓷片101的整体厚度为L，上下表面的电极宽度w小于压电陶瓷片101的宽度W，且上下表面的电极相对两侧面反对称设置；压电陶瓷片101的任一表面上的电极到侧面的间隙d=W-w，且间隙d大于压电陶瓷片的厚度
to图3为根据本发明制作得到压电驱动器所测得的电压-微位移曲线图。如图3所示，其中横坐标为电场强度，纵坐标微位移，可以看出，随着温度升高，在相同的测试电场强度下，根据本发明实施例制作得到的压电驱动器位移增大，且能够在200°C下稳定工作。本发明提供的压电驱动器制作方法，通过采用耐高温无机聚合硅凝胶粘结，避免了传统多层共烧方法因银电极扩散所导致压电性能下降、退化的问题，同时，也可避免传统环氧树脂粘接方法不能承受高温的固有缺陷，提高了机电转换效率，所获得的高温压电驱动器具有更优异的电性能和一致性更好。本发明提供的压电驱动器制作方法可具有制作工艺简单，成本低廉的优势，可制备适用于高温环境下工作的压电驱动器。图4为本发明实施例二提供的压电驱动器的结构示意图。如图4所示，本实施例压电驱动器为由上述图I所示方法制作得到，该压电驱动器10包括多层压电陶瓷片101，各压电陶瓷片101的上下表面均设置有内电极102，且压电驱动器10上相对的两侧分别设置有外电极103，以将各压电陶瓷片101在电路上形成并联连接，且各压电陶瓷片101均为沿厚度方向极化，相邻两个压电陶瓷片的极化方向相反，其具体实现可参见上述本发明方法实施例的说明，在此不再赘述。本实施例压电驱动器可在外加的电压作用下，使得各压电陶瓷片共同沿厚度方向伸长或缩短，从而实现所需的位移，其具体实现过程与传统压电驱动器相同或类似，在此不再赘述。最后应说明的是以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。·
权利要求
1.一种压电驱动器制作方法，其特征在于，包括 在压电陶瓷片的上下表面分别制作预设图案的内电极； 通过耐高温无机聚合硅凝胶材料，将制作内电极后的多个压电陶瓷片粘结在一起，形成一体化结构的多层陶瓷； 在所述一体化结构的多层陶瓷的相対的两个侧面上分別制作外电极，以将各压电陶瓷片在电路上形成并联连接； 对所述一体化结构的多层陶瓷进行极化，得到所述压电驱动器。
2.根据权利要求I所述的压电驱动器制作方法，其特征在于，所述耐高温无机聚合硅凝胶为硅酸镁、磷酸铝与无机高分子聚合物混合形成。
3.根据权利要求I所述的压电驱动器制作方法，其特征在于，所述耐高温无机聚合硅凝胶为耐500°C以上高温的无机聚合硅凝胶。
4.根据权利要求3所述的压电驱动器制作方法，其特征在于，所述压电陶瓷片为采用居里温度高于120°C的压电材料制作得到。
5.根据权利要求4所述的压电驱动器制作方法，其特征在于，所述压电陶瓷片的材料为钪酸秘-钛酸铅固溶体，所述钪酸秘-钛酸铅固溶体的化学式为(I-X)BiScO3-XPbTiO3,其中0. 2彡x〈l。
6.根据权利要求1-5任一所述的压电驱动器制作方法，其特征在于，所述在压电陶瓷片的上下表面分别制作预设图案的电极之前还包括 利用固相反应法制备压电陶瓷片。
7.根据权利要求I所述的压电驱动器制作方法，其特征在于，所述压电陶瓷片上下表面的电极宽度w小于陶瓷片的宽度W，且上下表面的电极相对两侧面反对称设置； 所述陶瓷片的任一表面上的电极到侧面的间隙d=W-w，且所述间隙d大于所述压电陶瓷片的厚度t。
8.根据权利要求I所述的压电驱动器制作方法，其特征在于，所述内电极和外电极为银电极、铜电扱、镍电极、金电极或上述至少两种金属混合的混合金属电极。
9.根据权利要求8所述的压电驱动器制作方法，其特征在于，所述内电极和外电极通过烧制或溅射而成。
10.ー种采用权利要求1-9任一所述的压电驱动器制作方法制作得到的压电驱动器。
全文摘要
本发明提供一种压电驱动器制作方法及压电驱动器。该方法包括在压电陶瓷片的上下表面分别制作预设图案的内电极；通过耐高温无机聚合硅凝胶材料，将制作内电极后的多个压电陶瓷片粘结在一起，形成一体化结构的多层陶瓷；在所述一体化结构的多层陶瓷的相对的两个侧面上分别制作外电极，以将各压电陶瓷片在电路上形成并联连接；对所述一体化结构的多层陶瓷进行极化，得到所述压电驱动器。本发明压电驱动器制作简单，具有较好的耐高温性能，工作稳定可靠。
文档编号H01L41/22GK102683576SQ20121014735
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者董蜀湘, 陈建国 申请人:北京大学