CN111081865A - 微电机***多层压电致动器的制备方法 - Google Patents

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

微电机***多层压电致动器的制备方法

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；

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。

Images