專(zhuān)利名稱(chēng)：橫向伸縮多層獨(dú)石式壓電微位移器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種可提供橫向伸縮的多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器的結(jié)構(gòu)，具體地說(shuō)它是通過(guò)電場(chǎng)產(chǎn)生和控制精密位移或運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷固態(tài)器件，屬于壓電陶瓷微位移器領(lǐng)域。
壓電陶瓷微位移器是壓電陶瓷應(yīng)用的一個(gè)重要分支，在微米-納米驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)中起著重要的作用，它主要應(yīng)用在精密機(jī)械、微電子技術(shù)、精密光學(xué)、生物工程等方面。
多層獨(dú)石式(陶瓷片和內(nèi)電極共燒成塊的結(jié)構(gòu))是壓電陶瓷微位移器的重要發(fā)展趨勢(shì)和目前應(yīng)用的重要器件形式，它具有工作電壓低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)有眾多文獻(xiàn)資料，例如(1)S.Takahashi,Ferroe1ectrics,1989,Vol.91,pp.293-302；(2)劉一聲，壓電與聲光，1994,Vol.16,pp.19-26，目前只是利用壓電陶瓷片上電場(chǎng)方向和位移一致的縱向伸縮模的位移，無(wú)法利用電場(chǎng)方向和位移方向垂直的橫向伸縮模的位移(見(jiàn)

圖1)，如圖1所示，該器件結(jié)構(gòu)主要由壓電陶瓷膜片(1)、內(nèi)電極(2)、端電極(3)構(gòu)成，其中11、13分別為該器件上下表面非壓電活性層，這類(lèi)結(jié)構(gòu)阻止了器件整體的橫向伸縮位移。如何利用與電場(chǎng)方向垂直方向的橫向伸縮位移，這是擴(kuò)大多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器應(yīng)用的重要方面，也是制備新型細(xì)長(zhǎng)棒形、驅(qū)動(dòng)截面尺寸極小器件的要求。長(zhǎng)期以來(lái)人們一直在尋求對(duì)于多層獨(dú)石式結(jié)構(gòu)壓電微位移器，如何利用壓電體d31壓電系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的橫向伸縮位移亦能象利用d33壓電系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的縱向位移一樣被使用。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種可利用橫向伸縮位移的多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器的結(jié)構(gòu)，適合于制備細(xì)棒狀的可利用橫向(沿細(xì)棒的長(zhǎng)度方向)位移的微位移器。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)形式表示于圖2，該器件結(jié)構(gòu)主要由壓電陶瓷膜片(11、12、13)、內(nèi)電極(21、22)、端電極(31、32)、表面電極(41、42)、表面絕緣層(61、62)、端電極陶瓷絕緣片(71、72)和電極引線(51、52)組成，其中41、42分別為器件上下表面電極，本結(jié)構(gòu)使得圖1中上下表面的壓電陶瓷非壓電活性層11、13激活為壓電活性層，不限制器件整體的橫向伸縮位移，從而獲得了可提供橫向伸縮位移的多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器。
本實(shí)用新型的實(shí)施過(guò)程和方法如下以未被制過(guò)端電極的多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器為制備基礎(chǔ)(圖1)，在其上下表面與左右端面一起同時(shí)被上銀(Ag)漿并燒制成銀(Ag)電極，具體電極結(jié)構(gòu)形式是41表面電極與31端電極連成一體，42表面電極與32端電極連成一體。表面電極的面積、形狀與內(nèi)電極相同。在41,42表面分別焊上電極引線51,52。在實(shí)施以上工藝過(guò)程后進(jìn)行絕緣處理在41和42表面涂上高絕緣保護(hù)層61,62；在端電極上粘貼上絕緣陶瓷片71,72，表面覆蓋層以覆蓋表面電極為原則；絕緣陶瓷片的面積與端頭面積基本一致，具體可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求決定。最終對(duì)器件(包括內(nèi)部壓電陶瓷層和兩表面壓電陶瓷層)，進(jìn)行電場(chǎng)極化處理，使表面層與內(nèi)部壓電陶瓷層一起成為壓電活性層，不限制內(nèi)部壓電陶瓷層的橫向伸縮位移而參與橫向伸縮位移，從而獲得了可提供橫向伸縮位移的多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是(1)通過(guò)表面電極的設(shè)置，使原多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器表面的非活性層變成壓電活性層，從阻止器件橫向伸縮位移成為參與橫向伸縮位移，從而成為可提供平行長(zhǎng)度方向的橫向伸縮位移的多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器新的結(jié)構(gòu)形式；(2)利用多層獨(dú)石式的結(jié)構(gòu)原理，減少壓電陶瓷層厚，增加器件層數(shù)，可降低橫向伸縮位移的多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器的工作電壓，增加器件的機(jī)械強(qiáng)度和器件的驅(qū)動(dòng)能力。(3)根據(jù)橫向模的逆壓電效應(yīng)方程S=d31E3或ΔL1=L1d31E3可知，橫向位移量ΔL1正比于橫向長(zhǎng)度L1，式中，S1為橫向形變，d31為橫向壓電應(yīng)變系數(shù)，E3為所加縱向電場(chǎng)。因此，利用增加器件長(zhǎng)度L1可增加器件總橫向位移量。根據(jù)以上特點(diǎn)，本實(shí)用新型適用于制備一維方向(位移方向L)較長(zhǎng)的、驅(qū)動(dòng)截面尺寸極小的細(xì)棒狀器件，以滿(mǎn)足點(diǎn)開(kāi)關(guān)、微型機(jī)械、計(jì)算機(jī)硬盤(pán)磁頭驅(qū)動(dòng)等特種用途應(yīng)用。
下面通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)特征和性能優(yōu)點(diǎn)。實(shí)施例一以分子式為[Pb(Zn1/3Nb2/3)0.25-0.30Zr0.35-0.40Ti0.30-0.35O3]鈮鋅、鋯鈦酸鉛軟性壓電陶瓷材料粉體為基礎(chǔ)，先通過(guò)流延、沖片、內(nèi)電極印刷、疊片、排粘、燒成等常規(guī)工藝制得如圖1的多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器基體；接著在此基體被上表面電極41、42和端電極31、32，并分別將41、42與31、32連接、在41,42表面分別焊上電極引線51,52，在41和42表面涂上高絕緣保護(hù)層61,62；在端電極上粘貼上絕緣陶瓷片71,72，最后對(duì)器件(包括內(nèi)部壓電陶瓷層和兩表面壓電陶瓷層)，進(jìn)行電場(chǎng)極化處理，經(jīng)過(guò)以上表面電極和端電極絕緣處理后制得了本實(shí)用新型所提供的可利用橫向伸縮位移的多層獨(dú)石式壓電微位移器。
本實(shí)施例的器件制備工藝條件內(nèi)電極材料Pt-Au-Ag疊層條件60～80℃,20～50MP,20～30min。
共燒溫度1250～1300℃/1hr。
極化條件3000～4000V/m,120～150℃,15min。
本實(shí)施例所制得的器件尺寸參數(shù)
每層陶瓷厚度105μm。
有效層數(shù)19器件長(zhǎng)度8.5mm。
截面積 2.0×1.5mm本實(shí)施例所制得的器件機(jī)電性能參數(shù)d31=368×10-12M/V(按器件ΔL1-V斜率計(jì)算)d31(器件)/d31(體材料)=368/390=94％C(1kHz)=3.6nFtanδ(1kHz)=2.3％本實(shí)施例所制得器件的電壓-位移特性曲線示于圖三實(shí)施例二以分子式為(Ba0.65Pb0.35)4-5(Na0.88Li0.12)1-2Nb10O30硬性鎢青銅結(jié)構(gòu)型壓電陶瓷材料粉體為基礎(chǔ)，先通過(guò)流延、沖片、內(nèi)電極印刷、疊片、排粘、燒成等常規(guī)工藝制得如圖1的多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器基體；接著在此基體被上表面電極41、42和端電極31、32，并分別將41、42與32、31連接、在41,42表面分別焊上電極引線51,52，在41和42表面涂上高絕緣保護(hù)層61,62；在端電極上粘貼上絕緣陶瓷片71,72，最后對(duì)器件(包括內(nèi)部壓電陶瓷層和兩表面壓電陶瓷層)，進(jìn)行電場(chǎng)極化處理，經(jīng)過(guò)以上表面電極和端電極絕緣處理后制得了本實(shí)用新型所提供的可利用橫向伸縮位移的多層獨(dú)石式壓電微位移器。
本實(shí)施例的器件制備工藝條件內(nèi)電極材料 Pd-Ag疊層條件70～90℃,20～50MP,20～30min。
共燒溫度1100～1160℃/1hr。
極化條件3000～4000V/m,150～180℃,15～30min。
本實(shí)施例所制得的器件尺寸參數(shù)每層陶瓷厚度160μm。
有效層數(shù)18器件長(zhǎng)度12mm。
截面積2.0×3.0mm本實(shí)施例所制得的器件機(jī)電性能參數(shù)d31=70×10-12M/V(按器件ΔL1-V斜率計(jì)算)d31(器件)/d31(體材料)=70/75=93％C(1kHz)=18nFtanδ(1kHz)=0.43％本實(shí)施例所制得器件的電壓-位移特性曲線示于圖四
權(quán)利要求1．一種橫向伸縮多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器，包括制備上、下表面電極，其特征在于該微位移器由壓電陶瓷膜片(11、12、13)、內(nèi)電極(21、22)、端電極(31、32)、表面電極(41、42)、表面絕緣層(61、62)、端電極陶瓷絕緣片(71、72)和電極引線(51、52)組成，其中表面電極(41)和(42)分別和端電極(31)和(32)連成一體；再分別與兩組內(nèi)電極(21)，(22)構(gòu)成兩組電極，使表面壓電陶瓷層可與內(nèi)壓電陶瓷層一起參與電場(chǎng)極化，成為壓電活性層。
2．按權(quán)利要求1所述的微位移器，其特征是在表面電極(41),(42)上配置高絕緣強(qiáng)度涂層(61)、(62)；在端電極上粘貼陶瓷絕緣片(71)，(72)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種提供橫向伸縮位移多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器的結(jié)構(gòu),屬于壓電陶瓷微位移器的領(lǐng)域。它是在常規(guī)的縱向伸縮位移多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器結(jié)構(gòu)和制備的基礎(chǔ)上,通過(guò)制備上、下表面電極,克服原表面非活性層對(duì)橫向伸縮位移的阻止作用;以及配置絕緣層等特殊工藝而發(fā)展成的新型器件。本器件特點(diǎn)是體積小、可有效地降低工作電壓、特別是可有效地利用增加器件橫向長(zhǎng)度來(lái)增加位移量,適合于制成細(xì)棒狀的多層獨(dú)石式壓電陶瓷微位移器?？蓾M(mǎn)足點(diǎn)開(kāi)關(guān)、微型機(jī)械、計(jì)算機(jī)硬盤(pán)磁頭驅(qū)動(dòng)等特種應(yīng)用。
文檔編號(hào)H04R17/00GK2335332SQ9724253
公開(kāi)日1999年8月25日 申請(qǐng)日期1997年10月31日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月31日
發(fā)明者陳大任, 李國(guó)榮, 殷慶瑞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所