PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能研究

发布日期：2019-08-13 15:02　　　浏览次数：次

压电陶瓷微驱动器是利用逆压电效应制作的新型的固态执行器件，在精密光学、微型机械、微电子技术、计算机应用等高新技术领域获得广泛应用. 这些应用要求压电陶瓷器件向体积小、驱动电压低、位移量大、能集成化的方向发展，而以往用粘结剂将压电陶瓷单片粘结而成的多层压电陶瓷微驱动器, 由于受单片陶瓷膜片厚度的限制(制作200μm以下厚度的陶瓷单片已有相当的难度)，无法使器件小型化、集成化，且器件中的粘结剂使器件在电场作用下产生大的蠕变，不利于位移的精密控制，特别是器件在长时间高电场作用下, 或反复使用后粘结剂易与陶瓷片脱落，造成器件性能恶化，甚至出现器件断裂现象，缩短了器件的使用寿命，给应用带来很大的不便. 近年来,利用陶瓷素坯流延制备工艺以及流延陶瓷坯膜和内电极一次共烧技术, 得到的多层片式压电陶瓷微驱动器(MMPA)是一种适合规模生产的、性能优良的新型功能陶瓷器件. 这种多层片式器件由于采用流延制备工艺，其坯膜容易制得100μm以下的膜厚，且共烧后陶瓷层之间通过与内电极直接结合而不再需粘结剂粘合，因此器件可小型化、微型化，器件的蠕变性能也得到很大的改善，陶瓷层间的分层现象得到有效地克服，大大地提高了器件的使用寿命. 本文报道的是利用陶瓷流延成型技术和陶瓷坯膜/金属内电极共烧技术制作而成的多层片式、高含铅PZT系压电陶瓷微驱动器, 这在国内尚属首次. 本文主要是对该器件的静态和动态位移特性进行研究.

2　实验

2.1　多层片式压电陶瓷微驱动器的制备

　　制备多层片式压电陶瓷微驱动器工艺流程如图1所示，需经过10个主要的工艺步骤：首先用电子陶瓷制备工艺制得压电应变系数大的软性PZT三元系压电陶瓷粉体, 其分子式为xPb(Zn1/3Nb2/3)O3+yPbZrO3+zPbTiO3,(PZN-PZ-PT), (x+y+z=1), 然后将陶瓷粉体与有机助剂按一定的固/液比例混合均匀后,得到均匀的陶瓷浆料, 再将该陶瓷浆料放在流延机上的料斗里进行流延, 通过控制括刀高度以及有机载带速度来制备具有一定厚度的、均匀、且致密的流延坯膜. 将流延坯膜冲片成一定形状的陶瓷坯膜, 然后在坯膜的一面印刷上具有一定图案的电极浆料,再将印有电极的陶瓷坯膜按一定的排列次序放在一特制的模具里叠片成型，得到一个含有内电极的、多层片状式陶瓷坯体. 将该陶瓷坯体按器件作用面积大小切割成多个多层陶瓷器件的坯体后，一齐放入纯Al2O3坩埚中缓慢地排塑, 再进行高温密封烧结(烧结温度为12601300 C), 即得具有内电极的多层片式陶瓷器件. 将该多层片式器件的两端按图2所示的结构被上Ag外电极, 650 C烧银，高温极化(极化时间30min，电场4000V/mm, 温度140 C). 本工作经过对流延厚膜和高温内电极共烧的工艺摸索，最终获得作用面积为5mm×6mm, 总厚度为2mm(压电陶瓷层崐为35层，每层47μm厚，上下表面层各约120μm厚) 的多层片式压电陶瓷微驱动器.

图1　多层片式压电陶瓷微驱动器器件的制作工艺流程图

图2　多层片式压电陶瓷微驱动器内电极和外电极连接的结构形式

2.2　样品测试

　　陶瓷单片的压电应变d33系数用中国科学院声学所研制的Berlincourt仪测量,多层器件的微区显微结构用中国科学院仪器厂生产的KYKY－1000B型扫描电子显微镜(SEM)观察. 多层片式压电陶瓷微驱动器的位移值是用中原量仪厂生产的DGS－6型数显电感测试仪测试, 分辨率为0.01μm, 动态位移是根据Doppel效应原理用单激光束进行测试,测试系统如图3所示，分辨率为0.005μm.

图3　压电陶瓷微驱动器动态位移测试系统

3　结果和讨论

　　对于受恒定外加应力的压电陶瓷单片，当在垂直于其厚度方向(极化方向)的二表面加上一电压, 在只考虑压电形变为线性形变时，由压电方程可知，压电陶瓷单片沿纵向厚度方向产生的位移Δll表示为

式中，d33为压电应变系数，V为所加的电压，t为陶瓷单片的厚度. 式(1)表明, 当所加电压为变化量时，压电片在厚度方向的位移与压电应变系数d33和所加的电压V成正比，而与厚度无关；但是，当以所加电场为变化量时，器件所产生的位移不仅与压电系数d33和电场成正比，且亦与厚度成正比. 可见，压电陶瓷在厚度方向所产生的位移与压电陶瓷所选位移驱动的工作方式有关. 应用时应同时考虑所加电压和电场二个因素：尽量避免压电陶瓷在高电场甚至在接近击穿电场下应用；同时工作电压尽可能低，而位移量要尽量大.

　　对于器件在所加电压一定时，减薄陶瓷片的厚度就能达到减小器件厚度方向尺寸的目的. 因此，当多层陶瓷片在以图2的结构形式进行机械串联、电学并联，然后陶瓷层一起极化，相邻陶瓷片的极化方向就取反向的结构形式. 这样，当多层压电陶瓷微驱动器外加工作电压时，其纵向位移得到了叠加，可表示为：

式中N为陶瓷叠层数，也即多层压电陶瓷微驱动器的位移量与单片压电陶瓷相比放大了N倍. 但是，当位移量以每片压电陶瓷片所加的电场为变化量时，式(2)可表示为

式中t为每层压电陶瓷片的厚度，l为多层器件的总厚度. 比较式(3)和式(1)的表达式，可以发现当多层器件的总厚度l与单片陶瓷的厚度t相同时，二式相同，这表明当多层器件的每片压电陶瓷片所加的电场强度与单片压电陶瓷一致时，二者的位移量相等，但是，多层器件所加的电压比单片压电陶瓷的电压降低了N倍.

　　由以上分析可见，单片压电陶瓷虽然亦可通过增加膜厚来达到微米量级的位移，但所加工作电压需上千伏，不利于应用，而多层器件在以工作电压或以电场作为变化量时，分别具有放大位移量和降低工作电压二种不同的功能，特别是多层器件在保持电场不变的情况下, 可通过增加器件的层数来增加总厚度，因此，实际应用时，多层器件不仅具有放大位移量，同时又能有效地降低工作电压.

　　图4是利用陶瓷坯膜流延工艺和陶瓷/金属内电极共烧技术制备的、总厚度为2mm(压电陶瓷层为35层，每层47μm厚，上下表面层各约120μm厚) 的多层片式压电陶瓷微驱动断截面SEM照片，图中白色平行条纹为金属内电极，内电极之间为陶瓷层. 陶瓷层中可观察到许多大小为数微米的气孔，这是由于陶瓷流延坯膜中粘结剂、增塑剂等有机物占有一定的比例，当陶瓷/内电极共烧时，这些膜中有机物的挥发造成了陶瓷层中出现许多大的气孔. 但是，如表1所示，这些气孔在PZT系流延瓷片中并未严重影响陶瓷层的机电特性. 这一结果与流延法制备PBNN硬性压电陶瓷的机电系数基本一致

［3］. 因此,可以认为用流延法得到陶瓷的机电参数与用干压法陶瓷片的基本相同.

图4　PZT系多层片式压电陶瓷微位移器叉指结构形式的断截面SEM照片

表 1 流延法和干压法得到的PZN-PZ-PT陶瓷膜的密度、介电系数和压电系数的比较

图5是制备得到的PZN－PZ－PT多层片式压电陶瓷微驱动器纵向位移模式静态的电压－位移特性曲线. 从该曲线可以看到，当所加电压逐渐增加再回到零时，器件开始如式(1)所示以线性和准线性方式产生位移，然后以非线性方式位移；当电压从最大电压开始减小时，其位移不再按原位移的大小返回，而是出现一个位移滞后. 这种电压－位移间的滞后关系是PZT系软性压电陶瓷位移器的一个重要特征. 产生这种电压－位移滞后的原因与PZT系压电陶瓷的晶体结构和电畴结构有关. 因为PZT系压电陶瓷的晶体结构为钙钛矿结构，它的a和c轴的晶格常数不等；当压电陶瓷极化后各晶粒中的晶体仍存在着许多90 电畴. 在低电场的作用下(相应地电压也较低)，压电陶瓷的位移主要是由于电偶极子在电场作用下发生极化，这样其极化强度的变化与电致伸缩效应的藕合，或者说逆压电效应，引起了它的线性的机械位移；但是，当压电陶瓷在高电场作用下，由于晶体中的90 电畴开始转向，这样，晶格常数不等的a和c轴互换引起了压电陶瓷在平行或垂直于电场方向的的位移量均呈非线性增加. 当电压从最大值开始减小时，由于90 电畴中尚存在可逆和不可逆二种电畴，这些不可逆电畴的存在就使得压电陶瓷出现电压－位移的滞后回线现象.

片式压电陶瓷微驱动器中每片压电陶瓷层的压电性能作较为直观的评价. 当多层片式压电陶瓷微驱动器加上2.3V电压(电场为50V/mm，接近电畴转向的阈值电场)，器件产生约0.04μm的总位移量，在认为电畴转向对压电应变产生较小的影响时，由式(2)可计算得到平均每片压电陶瓷层的压电应变系数d33≈500pC/N.这一数值与表1所列的d33数值基本接近. 因此，可以认为, 本工作研制的压电器件中单片压电性能达到了单片流延陶瓷膜和块体陶瓷片的水平.

　　图5的结果还显示了多层片式压电陶瓷微驱动器在相对低的工作电压38V作用下，器件可产生达1μm左右大的位移，但是器件尺寸却很小. 因此，这一器件可应用于一些工作电压低、位移量大、器件尺寸小的高新技术领域，如计算机硬盘驱动器要求器件尺寸小, 工作电压<12V.

　　实际使用PZT系软性压电陶瓷时，由于加上与压电陶瓷极化方向相反的反向电压或电场时，易引起压电陶瓷的退极化，降低压电性能，减小位移量，因此，多层片式器件通常是加单向正电压工作. 图6是多层片式器件加上单向正弦交流电压波形和它的动态位移响应频谱. 从图6(b)所示的位移响应曲线可以看出：多层片式器件在峰－峰值12V，频率1kHz的单向正弦交流电作用下，其最大的位移量为0.28μm, 该数值与直流电为12V时的静态位移量基本一致，说明在250V/mm电场下，其位移量与频率无明显的依赖关系，另外，器件的动态位移基本呈正弦波形式，且与电压间的相位差亦很小(图中很难计算相位差)，表明多层器件的位移能跟随电场变化而产生位移. 事实上，以上动态位移崐性能在100Hz～5kHz所测频率范围内基本保持不变，这可从图7所示的多层片式器件位移和相位差频谱曲线可以看出，图中，器件在相同的电压波形V=6(1+sinωt) 、不同的电压频率作用下产生的动态位移几乎不随频率而变，而其相位差在5kHz?附近才有所变化.