PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能研究

刘硕

摘 要

PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器的制作主要采用了陶瓷胚胎流延成型和一定的金属内极电共烧的技术，具有体积小、工作电压低，且位移量大等方面的特点。本文通过对PZT概念以及试验的方法整理研究，对PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能的实验进行了科学的研究。

【关键词】PZT 压电陶瓷微驱动器

压电陶瓷微驱动器在一定程度上在逆压电效应的基础上制作的新型固态执行器，并且普遍应用在众多的高新技术领域中，如精密光学、微电子技术以及电子计算机等。而这些领域的要求促使着压电陶瓷微驱动器逐渐朝着小体积、低驱动电压、大位移量以及集成化的方向大力的发展。近年来，随着陶瓷胚胎流延成型和金属内极电共烧技术的发展和日渐成熟，适合大规模生产、性能优良的PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器应运而生，有效的克服了陶瓷分层现象，最大限度的延长了器件的使用寿命。

1 PZT概述

PZT是一种性能优异的铁电材料，在介电、铁电、压电以及热释电等方面的效应十分良好，普遍应用在非挥发性的动态随机存贮器的制作当中，并且在电子材料中的地位日渐突出。近年来，随着社会经济发展水平的日益提高，微机电系统获得了更多的发展空间，PZT铁电薄膜凭借较高的高压电常数等方面的优势而受到广泛的重视，在微型传感器和驱动器中都有所涉及，在很大程度上已经逐渐成为微机电系统中常用的传感和驱动材料。

2 试验

2.1 多层片式压电陶瓷微驱动器

多层片式压电陶瓷微驱动器的制作所需要的工艺步骤非常繁杂，具体如下：

（1）利用电子陶瓷的制备工艺可以得到PZT三元系压电陶瓷粉体，其软性的压电应变系数相对较大。

（2）严格按照一定固液比例实现陶瓷粉体和有机剂的充分混合，均匀的陶瓷浆料由此得到，然后将其放置在流延机的料斗里进行有效地流延，通过对括刀的高度进行合理的调节以及有机载带速度的有效控制，由此制作出来的流延胚胎不仅质地均匀、高度适中，而且非常致密。

（3）把流延胚胎膜冲成各种形状，一面将带图案的电极浆料印刷上，然后将其按照一定的顺序统一放置在特制的模具里采用层叠形式使其能够成型，由此就会得到一个呈多层片状式的含有电极的陶瓷胚体。

（4）严格按照器件具体的作用面积将制作好的陶瓷胚体进行切割，并切割成多个多层的器件胚体，然后将全部的胚体一起放入到一定的坩埚中慢慢排塑，经过高温封闭式的烧结以后，便会得到含有内极的多层片式陶瓷器件。

（5）最终经过研究流延厚膜以及高温内的电极共烧工艺，获得了作用面积在30mm，总厚度在2mm的多层片式压电陶瓷微驱动器。

2.2 样品测试

陶瓷单片压电的应变系数主要是中科院研制的Berlincourt测量仪，用中科院生产的电子显微镜对多层器件微曲的显微结构进行科学的观察，同时用中原量仪厂生产的DGS-6型数显电感测试仪对多层片式压电陶瓷微驱动器的位移值进行科学的测量。

3 结果和讨论

对于受恒定外加应力的压电陶瓷单片而言，当在垂直于其极化方向的表面施加一定电压的时候，压电形变为线性形变时，由压电方程式可得出压电所产生的位移，且通过实验的进一步得知压电的应变系数在很大程度上与厚度没有任何关系，反倒与电压成正比关系。因此，当电压加到一定程度时，并且多层陶瓷片内外电极连接的具体结构形式就可以进行机械之间的并联和串联，如图1，进而就会极化陶瓷层，相应的还会得到相邻陶瓷片的极化的具体方向，取相反的方向就能够得到极化的具体结构形式。如此一来，当多层压电陶瓷微位移器通过外加工作电压时，就能够得到纵向位移的叠加。

与此同时，通过观察可以发现在陶瓷层中存在着许多大小为微米的细小气孔，根据实验可得知这主要与陶瓷流延胚膜中的粘结剂等有机物分布不均匀造成的。当陶瓷内的电极呈现共烧时，会促使有机物出现一定的挥发现象，气孔便由此形成。但是气泡在PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器中对于陶瓷层机电的特性不会造成任何的影响，并且这个结果与流延法在PBNN硬性压电陶瓷制备时的机电系数基本保持一致。除此以外，压电陶瓷中的电偶极子以及电畴无论是在直流电压还是在100Hz～5kHz的频率范围内都能够进行同样的伸缩以及方向的转换，并且位移量不会随着频率的改变而出现相应的改变。

综上所述，通过研究宽带凭平坦方面的动态位移证明，电偶极子和电畴的位移量不会随着频率的变化而发生相应的改变，对精密动态位移的有效控制是应用多层片式器件的重要方式，这对于多层片式压电陶瓷微驱动器的具体应用具有非常重要的意义。通过实验可以进一步证明多层片式压电陶瓷微驱动器作为新型的固态执行器件，在位移方面不仅响应快，并且频谱相对比较平坦，且具有体积非常小，工作时电压极低的显著优势。利用逆电压效应有助于压电体微观性能的研究，其主要方法是利用压电陶瓷在电场作用下电偶极子以及电畴所引起的位移量的变化规律，并且在一定程度上也有利于获得随频率变化的压电系数。

参考文献

[1]李国荣，陈大任，张望重，张申，沈卫，殷庆瑞.流延成膜技术制备高性能多层片式压电陶瓷微驱动器研究[J].硅酸盐学报，1999（05）：533-539.

[2]李国荣，陈大任，殷庆瑞.PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能研究[J].无机材料学报，1999（03）：418-424.

[3]吕岩.基于PZT压电薄膜的微驱动器研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[4]李宏.新型压电微驱动器在光学微机电系统中的应用研究[D].成都：四川师范大学，2012.

作者单位

重庆大学 重庆市 400044