一种压电复合元件电极制备方法与流程

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种压电复合元件电极制备方法。

背景技术：

压电复合元件由压电陶瓷和聚合物复合而成，兼具压电陶瓷的高压电性能和聚合物的低声阻抗特点，是船舶水听器、医疗超声探头、红外探测器、超声流量计等的关键元件。压电复合元件电极对压电复合元件性能至关重要，要求具有低电阻、高结合强度和强焊接性，以满足压电元件的高灵敏、抗震动、高可靠等高性能要求。

目前压电陶瓷电极普遍采用背银工艺，将银浆涂敷压电陶瓷表面，经700-800℃高温烧结形成电极。但是，由于压电复合元件中聚合物工作温度一般低于150℃，背银工艺的高温过程将导致聚合物变形、碳化等劣化，破坏压电复合元件。

技术实现要素：

本发明要解决的技术难题是克服上述技术方法的不足，发明一种压电复合元件电极制作的方法。

本发明的技术方案为：

一种压电复合元件电极制备方法，首先，通过机械研磨的方法对压电复合元件表面进行预处理，使之具有良好的平面度及合适的粗糙度。其次，对pzt压电复合元件表面改性以增加其表面能，具体为采用紫外线照射复合元件表面，使其表面产生含氧极性官能团，提高压电复合元件表面与金属层之间的结合强度。最后，溅射微米级的金属薄膜作为压电复合元件的电极。具体步骤如下：

1)压电复合元件表面预处理

首先，采用自动压力研磨抛光机对压电复合元件进行研磨处理，使其表面平面度低于1μm，粗糙度低于800nm，以满足电极层溅射的要求；其次，采用无水乙醇、丙酮、去离子水进行超声清洗，去除压电复合元件表面附着的有机杂质；最后，采用除油液对压电复合元件进行除油处理，去除皂化油和矿物油。

2)压电复合元件表面改性

对预处理后的压电复合元件进行烘干处理，去除多余的水分等，利用紫外线照射机在输出功率为8～16mw/cm²的条件下照射复合元件表面3～8min，使其表面产生含氧极性官能团，官能团与电极层的金属原子能够产生强烈的相互作用，使得复合元件表面与金属原子之间产生强化学键，进而得到强的化学键力，提高电极与复合元件表面之间的结合强度。

3)制备压电复合元件电极

在表面改性后的压电复合元件表面溅射金属层1作为压电复合元件电极的过渡层，金属层1的金属原子与复合元件表面的氧原子形成的金属氧化物不仅利于过渡层的继续生长，而且能够显著地提高金属层1与压电复合元件表面的结合强度。溅射金属层2作为压电复合元件电极的中间保护层，金属层2有效地避免焊接时高温熔融焊锡对金属层1的破坏。溅射金属层3作为压电复合元件电极的表面保护层，金属层3提高了电极的可焊接性以及抗氧化性。

所述的金属层1为ti电极层，ti电极层溅射在压电复合元件表面，溅射时间为10～15min，ti电极层层厚为80～100nm。金属层2为cu电极层，cu电极层溅射在ti电极层的表面，溅射时间为30～45min，cu电极层层厚为1500～2000nm。金属层3为ag电极层，ag电极层溅射在cu电极层表面，溅射时间为12～18min，ag电极层层厚为300～500nm。

本发明的有益效果：本发明制备得到的压电复合元件表面电极电阻低、结合强度高、焊接性强，利于大批量生产及商业化推广应用。

附图说明

图1为pzt压电复合元件电极制备工艺路线图；图中依次为：a为pzt压电复合元件；b为pzt压电复合元件的研磨；c为pzt压电复合元件的清洗与除油；d为紫外线照射处理；e为pzt压电复合元件电极的制备。

图2为pzt复合元件电极示意图；

图中：1pzt压电复合元件电极的ag电极层；2pzt压电复合元件电极的cu电极层；3pzt压电复合元件电极的ti电极层。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。

首先，先后利用自动压力研磨抛光机对pzt压电复合元件进行研磨；随后进行去杂质及除油处理；然后，通过紫外线照射对pzt压电复合元件表面改性；最后，在pzt压电复合元件表面溅射一定厚度的ti、cu、ag作为pzt压电复合元件电极。

实施例1的具体实施步骤如下：

1)pzt压电复合元件表面处理

本实施例中pzt压电复合元件的尺寸为10mm×10mm×3mm(长×宽×厚)。按照以下顺序进行：对其利用自动压力研磨抛光机进行研磨处理，转速为50rpm，研磨时间为40min，使之表面平整度与粗糙度分别低于1μm和800nm；将pzt压电复合元件先后放入丙酮、无水乙醇、去离子水中常温下各超声清洗20min，以去除表面附着的灰尘杂质；放入40℃的除油液中除油10min，以去除表面的皂化油和矿物油；放入温度为60℃的烘箱中烘干35min；

2)pzt压电复合元件表面改性

对pzt复合元件表面在输出功率为8mw/cm2的条件下进行8min的紫外线照射处理，使复合元件表面产生含氧极性官能团，含氧极性官能团同金属原子强烈作用产生了强化学键而提高了金属层与复合元件表面之间化学键力，从而显著地提高了金属电极与复合元件之间的结合强度；

3)pzt压电复合元件电极制备

完成pzt压电复合元件的表面预处理后，为增加电极与pzt压电复合元件的结合强度，首先要通过磁控溅射方法在pzt压电复合元件表面制备电极，溅射功率为200w，本底真空度为4×10^-4pa，经过10min的溅射制备100nm厚的ti电极来作为pzt压电复合元件电极的过渡层，ti原子同pzt压电复合元件表面上吸附的氧原子以及陶瓷氧化物中的氧原子相结合形成ti的氧化物，极大地提高了ti电极层与压电复合元件表面之间的结合强度，经过30min的溅射在ti电极表面制备1500nm厚的cu电极来避免焊接时高温焊锡对ti电极层的破坏，再经过12min的溅射在cu电极表面制备300nm厚的ag电极作为抗氧化的pzt压电复合元件电极的焊接层，以获得良好的可焊接能力以及低电阻。

实施例2的中，步骤2)中对pzt复合元件表面改性的输出功率为12mw/cm2，紫外线照射时间5min；步骤3)中的溅射ti电极层时间为12min，溅射cu电极层时间为40min，溅射ag电极层时间为15min；其他条件与实施例1相同。

实施例3的中，步骤2)中对pzt复合元件表面改性的输出功率为16mw/cm2，紫外线照射时间3min；步骤3)中的溅射ti电极层时间为15min，溅射cu电极层时间为45min，溅射ag电极层时间为18min；其他条件与实施例1相同。

技术特征：

技术总结
本发明属于先进制造技术领域，提供一种压电复合元件电极制备方法。首先，通过机械研磨的方法对压电复合元件表面进行预处理，使之具有良好的平面度及合适的粗糙度。其次，对PZT压电复合元件表面改性以增加其表面能，具体为采用紫外线照射复合元件表面，使其表面产生含氧极性官能团，提高压电复合元件表面与金属层之间的结合强度。最后，溅射微米级的金属薄膜作为压电复合元件的电极。本发明制备得到的压电复合元件表面电极电阻低、结合强度高、焊接性强，利于大批量生产及商业化推广应用。

技术研发人员：王大志;周鹏;李凯;石鹏;凌四营;任同群;梁军生
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2017.11.27
技术公布日：2018.05.22