CN109216537B - 一种面向微型器件应用的体材压电陶瓷图形化加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种面向微型器件应用的体材压电陶瓷图形化加工方法，包括1)在压电陶瓷的表层上电极印制待加工器件的加工路径；2)采用划片机，按照步骤1)所印制的图形，对压电陶瓷整体进行切割，形成待加工器件中的多个形变单元；3)采用飞秒激光，按照步骤1)所印制的图形，对压电陶瓷的表层上电极进行分离，形成与多个形变单元对应连接的多个引出电极。本发明的面向微型器件应用的体材压电陶瓷图形化加工方法，结合压电陶瓷微型器件本身的结构，综合利用机械加工技术和激光烧蚀技术的优点，避免机械加工技术和激光烧蚀技术各自的劣势，解决了压电陶瓷微型器件的高精密加工的难题。
Description
技术领域
本发明属于压电陶瓷加工技术领域，涉及一种面向微型器件应用的体材压电陶瓷图形化加工方法。
背景技术
压电陶瓷作为新型功能性陶瓷器件，在能量采集，信号传导等应用领域作为微传感器和致动器具有广泛的应用。
压电陶瓷根据厚度分为体材压电陶瓷和膜状压电陶瓷，一般来说，厚度在10μm以上的压电陶瓷称之为体材压电陶瓷，厚度在10μm以下的压电陶瓷称之为膜状压电陶瓷。
由于陶瓷材料本身具有的脆、硬等物理特征，使得其精密、超精密加工手段严重受限，而特定的压电陶瓷因其特有的电畴排布序列，对温度尤其敏感，要求在整个生命周期环境温度通常不超过80℃，更限制了其精密加工手段。
压电陶瓷作为广泛应用的功能器件，随着应用领域的细分，对其阵列程度、分辨率提出了更高的需求，即整体面积越来越大，而对应单个单元尺寸越来越小，因此，压电陶瓷的大阵列、高精密加工成了整个行业的发展瓶颈。
在体材压电陶瓷的精密加工方面，国内外诸多团队进行了探索和试验，目前采用的加工方法主要包括激光烧蚀技术、湿法腐蚀技术、机械加工技术等。
激光烧蚀技术主要采用紫外以及波长更短、热效应更微弱的飞秒激光灯，以避免热量扩散造成压电性能的损失。该方法的优势是具有较高的定位精度、功率密度可调、图形化自由度高，但是由于其在烧蚀深度方向不易控制、存在较大烧蚀锥角、效率低等问题，限制了其应用领域。
湿法腐蚀技术具有效率高、对环境设备要求低的优势，但是属于各向同性腐蚀、尺寸精度不易控制、对腐蚀环境要求严苛，更多应用于表面加工技术。
机械加工技术具有经济高效、环保、图形灵活、精度高等优势，但同时对压电陶瓷的装夹提出了更高的要求，且最小尺寸线宽受限，使得机加方式并未推广。
发明内容
为了解决现有压电陶瓷高精密加工所存在的技术问题，本发明提供一种面向微型器件应用的体材压电陶瓷图形化加工方法。
本发明的技术解决方案是：
本发明一种面向微型器件应用的体材压电陶瓷图形化加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)图形印制
在压电陶瓷的表层上电极印制待加工器件的加工路径；
2)机械加工
采用划片机，按照步骤1)所印制的图形，对压电陶瓷整体进行切割，形成待加工器件中的多个形变单元；
3)激光烧蚀
采用飞秒激光，按照步骤1)所印制的图形，对压电陶瓷的表层上电极进行分离，形成与多个形变单元对应连接的多个引出电极。
进一步地，步骤1)的图形印制采用MEMS光刻技术，包括光刻版制作、涂胶、烘烤、曝光、显影及定影的步骤。
本发明的图形印制采用MEMS光刻技术，具有精度高(可达1μm)、批量化的优点。
进一步地，步骤2)机械加工时，先采用UV膜将压电陶瓷固定于底盘上，然后进行切割，切割完成后，采用紫外光照射，去除UV膜，取下压电陶瓷。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的面向微型器件应用的体材压电陶瓷图形化加工方法，结合压电陶瓷微型器件本身的结构，综合利用机械加工技术和激光烧蚀技术的优点，避免机械加工技术和激光烧蚀技术各自的劣势，解决了压电陶瓷微型器件的高精密加工的难题，具体解释如下：
压电陶瓷微型器件可用作致动器也可用作传感器，无论是用作致动器还是用作传感器，其结构均分为多个一般成阵列分布的形变单元和与多个形成单元配合的多个电极，多个形成单元的加工等级一般比较低，尺寸一般在mm级以上，因此，本发明对于形变单元的加工采用机械加工的方式。
多个引出电极由于其厚度较薄，在μm级，加工精度要求也较高。针对此部分，本发明选用激光烧蚀以取得较高的加工精度；而且由于表层上电极的厚度一般在2-3μm，因此，激光作用时间短，可以保持高效率；同时，因为烧蚀深度小，锥角基本可以忽略；烧蚀深度小，所需功率小，且陶瓷本体材料厚度远大于电极材料，材质也更坚硬，相对于电极材料更难烧蚀，因此稍微过量烧蚀实际影响基本可忽略。
附图说明
图1所示为本发明实施例所用的压电陶瓷基片的立体结构示意图；
图2所示为本发明实施例所用的压电陶瓷基片的端面结构示意图；
图3所示为印制在压电陶瓷表面的梳齿状压电陶瓷微型器件的图形；
图4所示为机械加工后的梳齿状结构图；
图5所示为加工完成的梳齿状压电陶瓷微型器件的结构图。
其中附图标记为：1-表层上电极1、2-底层反置电极、3-PZT基体、4-隔离槽、5-形变单元、6-引出电极。
具体实施方式
以下以一种梳齿状的压电陶瓷微型器件为例结合附图对本发明进行详细说明。
图1-2所示为本发明实施例制作梳齿状的压电陶瓷微型器件的压电陶瓷基片。由图1-2可以看出，该压电陶瓷基片包括表层上电极1、PZT基体3及底层反置电极2，表层上电极1位于PZT基体3的表面；底层反置电极2位于PZT基体3的底面，并从PZT基体3的侧壁折返至表层，通常在表层上电极1边缘，并以隔离槽4与表层上电极1分开，实现上下电极的分离，不影响功能发挥的区域。该压电陶瓷基片的结构使得上下电极均可由压电陶瓷的外表面直接引出(压电陶瓷作为致动器件使用时，通常会将下基底与振动传递介质实现紧密键合贴附，以保证良好的振动性能传递效果)。
梳齿状的压电陶瓷微型器件的制作包括以下步骤：
1)图形印制
在压电陶瓷的上电极表面印制待加工器件的加工路径，图3所示为印制在压电陶瓷表面的梳齿状的压电陶瓷微型器件的图形。
本实施例的图形印制是利用MEMS光刻技术，将图3所示的图形制成光刻版，经过涂胶、烘烤、曝光、显影、定影技术将所需加工的图案转移至压电陶瓷表面。
2)机械加工
利用高精密划片机的定点定位加工技术，按照使用光刻胶在压电陶瓷表面印制的图形结构走刀，切割出多个形变单元5，即本实施例中的如图4所示的梳齿结构。
通过划片机处理后的梳齿单元，平面对准精度可以达到±3μm，在切割深度方向可以达到±1μm的进给精度和重复加工精度。经过精密划片机后，整个梳齿内,底面反置电极为整体连通的一个公共电极，但是目前表层上电极1也为整体电极，无法实现对梳齿内8个形变单元5的独立控制。且因为划片机的圆形刀片，对微小结构进行μm级加工时，由于进退刀槽的影响，无法完成μm级别的加工。
3)激光烧蚀
采用激光，按照步骤1)所印制的图形，利用激光加工的高定位精度与图形的高自由度特点，将表层上电极1所需的图形由整体分离出来，形成与多个形变单元5对应连接的多个引出电极6，且尽可能不引起陶瓷本体的损伤以保证整个梳齿的结构强度。由于压电陶瓷对于温度的特别敏感性，对于压电陶瓷的加工采用飞秒激光。
激光烧蚀宽度可由光斑直径大小依据需要调控，最小可达5μm。以此完成电路的局部导通与阻隔，实现对每个梳齿单元的独立控制。
图5所示为加工完成的梳齿状压电陶瓷微型器件的结构图。通过对陶瓷本体和表层上电极1的图案化处理，实现了多个梳齿结构的独立控制，即整体梳齿上的8个形变单元5的底面反置电极为一个公共接口，由器件表面的反置部分引出，而8个表层上电极1则分别由对应的尾部焊点专区引出。并且可依据电极的引线方案优化，以最大程度保证微驱动器的尺寸精度与有效性。
由图5可见，每个梳齿单元的上表层电极，由靠近每个梳齿单元右边缘的引出电极6引致整个PZT的下边框位置。引出电极6与梳齿单元相连处是微米级宽度的电极，这样的设计的目的是完美地避开振动影响区(即梳齿状的形变单元5)，因为如果在形变单元5上直接焊点引线，会影响形变单元5的振动特性，因此通过激光加工出中间极细的上层电极将引线连接点放置到远离形变单元5的位置，也可以依据器件的实际需求，将每个梳齿的上层电极引出位置安置在不影响功能的任意位置来做外接引线的安排。
Claims (3)
1.一种面向微型器件应用的体材压电陶瓷图形化加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)图形印制
在压电陶瓷的表层上电极(1)印制待加工器件的加工路径；
其中，压电陶瓷包括表层上电极(1)、PZT基体(3)及底层反置电极(2)，表层上电极(1)位于PZT基体(3)的表面；底层反置电极(2)位于PZT基体(3)的底面，并从PZT基体(3)的侧壁折返至表层，在表层上电极(1)边缘，并以隔离槽(4)与表层上电极(4)分开；
2)机械加工
采用划片机，按照步骤1)所印制的图形，对压电陶瓷整体进行切割，形成待加工器件中的多个形变单元(5)；
其中，通过划片机处理后的梳齿单元，平面对准精度可以达到±3μm，在切割深度方向可以达到±1μm的进给精度和重复加工精度；
3)激光烧蚀
采用飞秒激光，按照步骤1)所印制的图形，对压电陶瓷的表层上电极(1)进行分离，形成与多个形变单元(5)对应连接的多个引出电极(6)；
其中，每个梳齿单元的上表层电极(1)，由靠近每个梳齿单元边缘的引出电极(6)引致整个PZT基体(3)的下边框位置，引出电极(6)与梳齿单元相连处是微米级宽度的电极。
2.根据权利要求1所述的面向微型器件应用的体材压电陶瓷图形化加工方法，其特征在于：
步骤1)的图形印制采用MEMS光刻技术，包括光刻版制作、涂胶、烘烤、曝光、显影及定影的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的面向微型器件应用的体材压电陶瓷图形化加工方法，其特征在于：
步骤2)机械加工时，先采用UV膜将压电陶瓷固定于底盘上，然后进行切割，切割完成后，采用紫外光照射，去除UV膜，取下压电陶瓷。
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