CN111081865A - 微电机***多层压电致动器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微电机***多层压电致动器的制备方法,属于压电陶瓷的制备方法。其制备步骤是:将原料粉体Pb3O4、ZrO2、TiO2、Sb2O3、Nb2O5、NiO、Bi2O3、MgO、Li2CO3混合后再与无水乙醇混合、球磨4h后烘干、过筛,得生瓷粉;瓷粉烧结2h,冷却、过筛,得瓷粉;瓷粉与无水乙醇混合、球磨4h,烘干、过筛;瓷粉与丁酮溶液混合、球磨12h后再与粘接剂、增塑剂混合、继续球磨12h,得浆料;按8‑15㎜/s的速度流延成膜片;在膜片表面印刷内电极浆料而形成内电极;将膜片裁切成压电陶瓷生片,叠摞压制成型,得多层压电陶瓷生坯;然后排胶烧结,得多层压电陶瓷;在多层压电陶瓷的两端面印刷外电极浆料,烘干;对多层压电陶瓷进行极化处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种多层压电致动器的制备方法,尤其涉及一种用于微电机***的多层压电致动器的制备方法。
背景技术
微电机***是一种体积、容量较小,输出功率在数百瓦以下,用途、性能及环境条件要求特殊的一类电动机。在控制***或传动机械负载中,常用于实现机电信号或能量检测、解析运算、放大、执行或转换等,被广泛应用于航空航天、医疗器械、国防军工、自动化控制等相关领域。
压电陶瓷致动器作为一种力-电转换器件,因其低成本、尺寸小、低能耗和高可靠性等优点已逐渐取代传统大尺寸电磁装置,成为微电机***(MEMS)的核心部件。致动器可分为单层芯片致动器、叠层芯片致动器、共烧堆栈致动器。相较于单层芯片致动器,叠层芯片致动器由于截面面积更大,因此可以在较低的工作电压下产生更大的力,且多个单层位移量叠加在一起可以产生较大的行程。
目前,叠层芯片致动器存在行程小(1.8μm/100V)、烧结温度高(1270-1300℃)、耐压性能低(200V)等缺陷。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述缺陷,本发明旨在提供一种微电机***多层压电致动器的制备方法,利用该方法制备的压电致动器具有行程大、烧结温度低等特点。
为了实现上述目的,本发明方法的技术方案包括以下步骤:
1)一次磨料:将以下重量份的原料粉体Pb3O4 203.91、ZrO2 48.04、TiO2 32.41、Sb2O31.013、Nb2O5 11.236、NiO 2.33、Bi2O3 1.5、MgO 0.44、Li2CO3 0.621混合,然后再与无水乙醇、锆球按2:1:1的重量比混合、球磨4h,烘干、过40目过筛,得生瓷粉;
2)预烧:将所述生瓷粉在1000℃下烧结2h,冷却后过40目筛,得瓷粉;
3)二次磨料:将所述瓷粉与无水乙醇、锆球按2:1:1的重量比混合、球磨4h,然后烘干、过40目筛;
4)制备浆料:将经过球磨的瓷粉与丁酮溶液按3:1的重量比混合、球磨12h,然后再与粘接剂、增塑剂按300:20:1的重量比混合、继续球磨12h,得浆料;所述丁酮溶液由丁酮与去离子水按3:7的重量比配制而成,所述粘结剂为基乙烯醇缩丁醛、所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯;
5)流延制膜:去除所述浆料内部的气泡,调节浆料黏度至60CPS,然后按8-15㎜/s的速度流延成100μm厚的膜片;
6)印刷内电极:在所述膜片表面划分出若干矩形区域,在各矩形区域内印刷内电极浆料而形成内电极,保证相邻矩形区域内的内电极错位分布;
7)裁切叠压:按所述矩形区域将膜片裁切成压电陶瓷生片,将多块所述压电陶瓷生片按“叉指法”的形式叠摞至3㎜厚,然后压制成型,得多层压电陶瓷生坯,压力为50Mpa;
8)烧结:将所述压电陶瓷生坯置于烧结炉中,先升温至120℃、保温5h,然后升温至600℃、排胶2h,最后再升温至960℃、保温4h,随炉冷却至室温,得多层压电陶瓷;
9)印刷外电极:在所述多层压电陶瓷的两端面印刷外电极浆料,烘干;
10)极化:将经过烘干的多层压电陶瓷置于60℃的极化装置中进行极化处理,极化电压为3kV。
与现有技术比较,本发明由于采用了上述技术方案,在原料配方中增加了Bi2O3,因此烧结后能形成晶粒均匀致密的玻璃相。本发明方法不仅可降低烧结温度(960℃),而且压电层与电极层界面处连接紧密,没有孔洞、裂纹等缺陷,因此致动器在高电场下工作时不会受到内电极失效的影响。实验证明,采用本发明方法制备的微电机***多层压电致动器位移量可达2.4μm/100V,在500V的工作电压下仍能运行3h左右。
附图说明
图1是在流延膜片表面印刷内电极的工序图;
图2是微电机***多层压电致动器的立体结构示意图;
图3是本发明方法制备的微电机***多层压电陶瓷断面的SEM图;
图4是本发明方法制备的微电机***多层压电陶瓷的内电极与介质层交界处的SEM图。
图中:膜片1、压电陶瓷生片2、内电极3、多层压电陶瓷4、外电极5。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明方法作进一步说明:
1)一次磨料:将以下重量份的原料粉体Pb3O4 203.91、ZrO2 48.04、TiO2 32.41、Sb2O31.013、Nb2O5 11.236、NiO 2.33、Bi2O3 1.5、MgO 0.44、Li2CO3 0.621混合,然后再与无水乙醇、锆球按2:1:1的重量比混合、球磨4h,烘干、过40目过筛,得生瓷粉;球磨机的转速为300rd/min;
2)预烧:将所述生瓷粉置于烧结炉中,按3℃/min的速率升温至1000℃,烧结2h,冷却后过40目筛,得瓷粉;
3)二次磨料:将所述瓷粉与无水乙醇、锆球按2:1:1的重量比混合、球磨4h,然后烘干、过40目筛;
4)制备浆料:将经过球磨的瓷粉与丁酮溶液按3:1的重量比混合、球磨12h,然后再与粘接剂、增塑剂为300:20:1的重量比的重量比混合、继续球磨12h,得浆料;所述丁酮溶液由丁酮与去离子水按3:7的重量比配制而成,所述粘结剂为基乙烯醇缩丁醛、所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯;
5)流延制膜:去除所述浆料内部的气泡,调节浆料黏度至60CPS,然后按8-15㎜/s的速度流延成100μm厚的膜片1(参见图1);控制刀口高度为100-200μm;
6)印刷内电极:在膜片1的表面划分出若干矩形区域(参见图1),在各矩形区域内印刷内电极浆料而形成内电极3(参见图1),保证相邻矩形区域2内的内电极3错位分布;所述内电极浆料为Ag-Pd浆料;
7)裁切叠压:按所述矩形区域将膜片裁切成压电陶瓷生片2(参见图1),将多块所述压电陶瓷生片2按“叉指法”或“指接法”的形式叠摞至3㎜厚,然后压制成型(参见图2),得多层压电陶瓷生坯,压力为50Mpa;
8)烧结:将所述压电陶瓷生坯置于烧结炉中,先升温至120℃、保温5h,然后升温至600℃、排胶2h,最后再升温至960℃、保温4h,随炉冷却至室温,得多层压电陶瓷4(参见图2);
9)印刷外电极:在所述多层压电陶瓷的两端面印刷外电极浆料而形成外电极5(参见图2),70℃环境中干燥2h;所述外电极浆料为Ag浆料;
10)极化:将经过烘干的多层压电陶瓷置于60℃的极化装置中进行极化处理,极化电压为3kV。
从图3可以看出:各压电层厚均匀、无开裂现象产生,各内电极层厚度较为均匀、无渗透现象产生。
从图4可以看出:晶粒组织较为致密、无气孔产生,说明960℃时致动器烧结良好;且压电层与电极层界面处连接紧密,没有孔洞、裂纹等缺陷,因此致动器在高电场下工作时不会受到内电极失效的影响。
Claims (1)
1.一种微电机***多层压电致动器的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)一次磨料:将以下重量份的原料粉体Pb3O4 203.91、ZrO2 48.04、TiO2 32.41、Sb2O31.013、Nb2O5 11.236、NiO 2.33、Bi2O3 1.5、MgO 0.44、Li2CO3 0.621混合,然后再与无水乙醇、锆球按2:1:1的重量比混合、球磨4h,烘干、过40目过筛,得生瓷粉;
2)预烧:将所述生瓷粉在1000℃下烧结2h,冷却后过40目筛,得瓷粉;
3)二次磨料:将所述瓷粉与无水乙醇、锆球按2:1:1的重量比混合、球磨4h,然后烘干、过40目筛;
4)制备浆料:将经过球磨的瓷粉与丁酮溶液按3:1的重量比混合、球磨12h,然后再与粘接剂、增塑剂按300:20:1的重量比混合、继续球磨12h,得浆料;所述丁酮溶液由丁酮与去离子水按3:7的重量比配制而成,所述粘结剂为基乙烯醇缩丁醛、所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯;
5)流延制膜:去除所述浆料内部的气泡,调节浆料黏度至60CPS,然后按8-15㎜/s的速度流延成100μm厚的膜片;
6)印刷内电极:在所述膜片表面划分出若干矩形区域,在各矩形区域内印刷内电极浆料而形成内电极,保证相邻矩形区域内的内电极错位分布;
7)裁切叠压:按所述矩形区域将膜片裁切成压电陶瓷生片,将多块所述压电陶瓷生片按“叉指法”的形式叠摞至3㎜厚,然后压制成型,得多层压电陶瓷生坯,压力为50Mpa;
8)烧结:将所述压电陶瓷生坯置于烧结炉中,先升温至120℃、保温5h,然后升温至600℃、排胶2h,最后再升温至960℃、保温4h,随炉冷却至室温,得多层压电陶瓷;
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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