CN109390462A - 准切变模式多层共烧压电致动器及其多层共烧制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种准切变模式多层共烧压电致动器及制备方法，包括排成2×2矩阵的四个驱动单元；驱动单元均为含内电极的多层压电陶瓷结构，均沿厚度方向交替正负极化；各驱动单元施加的电场方向均和极化方向平行或反平行；驱动单元中含内电极的多层压电陶瓷片在电路上为并联连接；按电极划分为四个d₃₁模式驱动单元或四个d₃₃模式驱动单元；底部与固定座固定连接，上表面为位移输出端；包括：d₃₆、d₃₅和d₃₄准切变模式多层共烧压电致动器，可应用于精密制造、加工、驱动等精密定位相关领域。本发明方法实现器件小型化、精密化、低成本批量化制备，能够提升器件功能的温度与结构稳定性。

Description

准切变模式多层共烧压电致动器及其多层共烧制备方法

技术领域

本发明涉及精密致动与定位技术，具体涉及多层结构的切变或“准切变”模式压电致动器，以及多层结构致动器的制备方法，特别是多层共烧制备方法。

背景技术

压电致动器是一种利用逆压电效应产生力、位移输出的精密作动和执行元件。压电致动器在施加电压时可产生纵向型微位移、横向型弯或切变微位移与驱动。压电致动器具有尺寸小、位移精度高、快速响应、低噪声的优势，在光学平台、光通讯、航空航天、半导体微纳加工、以及其它精密驱动领域具有广泛应用。

压电致动器又分为谐振式压电致动器和非谐振式压电致动器，其中非谐振式压电致动器包括多层压电致动器、结构放大式致动器。多层结构压电致动器可根据压电陶瓷的极化与施加电场方向的不同，可以分为厚度伸缩型压电致动器和厚度切变型压电致动器。多层致动器因其低驱动电压、大载荷负载能力、位移重复性高的优点在精密控制领域应用广泛。

多层压电致动器的制备方法通常有流延共烧法和胶黏复合法两种，流延共烧法是指通过压电陶瓷粉制备陶瓷膜、印刷电极、叠层、高温烧结等步骤一次性烧成最终想要的多层结构压电致动器；而胶黏复合法则是用树脂等胶黏剂把多个已背银压电陶瓷片和多个内电极片交替叠加粘接在一起。胶黏复合法工艺虽然简单，但存在界面位移损失。因此，多层共烧方法是目前普遍接受的多层压电致动器制备方法，因为相比胶黏致动器它几乎没有界面位移损失，位移线性度也更好，位移精度更高，以及高的温度稳定性。

对于厚度伸缩型多层压电致动器，各压电陶瓷片的极化方向与施加驱动电场的方向一致，意味着极化电场和之后的工作电场可以共用各陶瓷片厚度方向上的一对电极，因此，多层共烧不仅制备工艺容易实现，多层陶瓷的极化、施加工作电压都可以通过这一对电极实现。但目前d₁₅模式厚度切变型多层致动器却不能通过多层共烧制备，而只能采用胶黏复合法制备。这是因为其各压电陶瓷片的极化方向与施加驱动电场的方向垂直，意味着压电陶瓷片极化后，其极化用的电极需要磨掉，重新在与极化方向垂直的陶瓷片表面再低温镀电极(高温会破坏极化状态)，所以工艺上无法通过高温多层共烧一次性制备。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供可多层共烧、准切变模式压电致动器及其制备方法，这种新型的准切变模式多层结构压电致动器，其中的各压电陶瓷片极化方向与施加电场方向一致，可以通过很成熟的流延多层共烧法来制备，从而解决目前切变型压电致动器 (d₁₅模式厚度切变型多层压电致动器)无法多层共烧制备所存在的技术瓶颈问题，提高切变型压电致动器的温度稳定性和结构稳定性，减小由于胶黏界面带来的蠕变老化、回滞与界面位移损失问题，以及为今后实现多自由度致动器的多层共烧打下基础。

本发明提供了准切变模式多层压电致动器结构设计，以及相应的多层共烧制备方法。每个“准切变”致动器均为多层压电陶瓷片与内电极共烧构成的结构，且每个陶瓷片的极化方向与施加驱动电场(工作电压)的方向均沿陶瓷片的厚度方向；每个“准切变”致动器均包括面内划分成2×2阵列的四个驱动单元，其中沿对角线的一对驱动单元施加相同极性工作电压，而另一对角线的两个单元则施加极性相反的工作电压。通过这四个驱动单元沿两个对角线方向的协同伸缩驱动，可以使这个多层致动器产生所需要的“准切变”运动。

本发明提供的技术方案是：

准切变模式多层共烧压电致动器，为多层压电陶瓷片与内电极共烧构成的长方体多层结构，其结构包括排成2×2矩阵的四个驱动单元，每个驱动单元为长方体且各驱动单元内部也由小的长方体多层结构组成。每个小长方体块分别具有设定的极化方向、多层结构排布方向和电压施加方向；每个驱动单元中含内电极的多层压电陶瓷片在电路上为并联连接；各驱动单元均为含内电极的多层压电陶瓷结构，且各驱动单元中的压电陶瓷片均沿厚度方向交替正负极化；各驱动单元所施加的电场方向均和陶瓷片的极化方向是平行或反平行，而不是垂直；沿对角线的一对驱动单元施加相同极性的工作电压，而对另一对角线的两个驱动单元则施加极性相反的工作电压；通过四个驱动单元沿两个对角线方向的协同伸缩驱动，使得多层共烧压电致动器的位移输出端产生所需要的“准切变”运动。

驱动单元从左上按逆时针方向分别编号为A1～A4。根据驱动单元极化方向、外加电场方向，以及所产生的应变的不同，准切变模式多层共烧压电致动器分为三种：d₃₆模式“准切变”多层共烧结构致动器、d₃₅模式“准切变”致动器、d₃₄模式“准切变”致动器。

其中，z方向默认为极化方向，x、y方向为按照右手正交坐标系确定坐标方向，对d₃₆模式、d₃₅模式、d₃₄模式准切变多层共烧结构致动器与固定座接触固定面分别为y面、z面、y面，根据弹性力学规定，x、y、z方向分别对应角标1、2、3，角标4、5、6分别指两个主应变所在平面的剪切应变，如4方向为y、z面发生切变方向，5方向为x、z面发生切变方向，6方向为x、y面发生切变方向

d₃₆模式准切变多层共烧结构致动器的驱动单元按照电极划分为四个d₃₁模式驱动单元；驱动单元A1、A3接正电压，驱动单元A2、A4接负电压，驱动电压为低频矩形波电压或低频正弦波驱动电压；结构致动器的底部与一个固定座B固定连接，上表面为位移输出端；压电陶瓷的d₃₁效应使得A1、A3驱动单元沿x方向(1方向)缩短，A2、A4沿x方向(1方向)伸长；压电陶瓷的d₃₁效应还使得A1、A3驱动单元沿y方向(2方向)缩短，A2、A4 沿y方向(2方向)伸长；但固定座B接触面固定使得结构致动器的自由端沿y方向(2方向)的伸缩相互抵消，而沿x方向(1方向)的伸缩叠加；即致动器的主切变方向为沿x方向(1方向)的切变；驱动时，沿对角线方向的两个单元A1和A3施加相同的正电压或负电压，与之对应，另一对角线上的两个驱动单元A2、A4施加负电压或正电压，导致A1、A3单元所在的对角线伸长或缩短，而另一对角线相应缩短或伸长；产生不对称应变的协同作用，进一步导致致动器产生一个面内“畸变”；致动器底边固定，面内“畸变”成为“准切变”，也称为d₃₆面切变(d₃₆face shear)，施加电场是沿3方向(极化方向，z方向)，切变是在面内6方向(即方向1-2所在的面内的切变)；利用压电陶瓷四个驱动单元的d₃₁变形和协同驱动作用，使多层结构致动器产生一个d₃₆面内“准切变”运动(d₃₆面切变)。注意图2中x- y-z坐标/方向表示致动器的空间坐标，而1-6坐标/方向表示弹性力学中的应变坐标，下同。

d₃₅模式“准切变”多层共烧结构致动器的驱动单元按照电极划分为四个d₃₁模式驱动单元；驱动单元A1、A3接正(或负)电压，A2、A4接负(或正)电压，驱动电压为低频矩形波电压或低频正弦波驱动电压；压电陶瓷的d₃₁效应使得A1、A3驱动单元沿x方向(1方向)缩短，A2、A4沿x方向(1方向)伸长；注意压电陶瓷的d₃₃效应使得A1、A3驱动单元沿z方向(3方向)伸长、A2、A4沿z方向(3方向)缩短；与B接触面固定使得z方向(3方向)的伸缩相互抵消，而x方向(1方向)叠加；致动器产生沿x轴方向(1方向)的“准切变”位移δx，即致动器的主切变方向是沿x轴方向的切变。驱动时，沿对角线方向的两个单元A1和A3施加相同的正(或负)电压，另一对角线上的两个驱动单元A2、A4施加负(或正)电压，导致对角线伸长(或缩短)，另一对角线缩短(或伸长)；进一步导致致动器产生一个在面内“5”方向(即1-3所在的面内切变)的“畸变”，也称为d₃₅面切变(d₃₅face shear)，施加电场是沿3方向(极化方向，z方向)，切变是在面内5方向；通过压电陶瓷的四个驱动单元A1-A4的d₃₃变形和协同驱动作用，使多层结构致动器产生一个d₃₅面内“准切变”运动；

d₃₄共烧切变模式压电致动器的驱动单元按照电极划分为四个d₃₃模式驱动单元；驱动单元A1、A3接正电压，A2、A4接负电压，驱动电压为低频矩形波交流电压或低频正弦波驱动电压；压电陶瓷的d₃₃效应使得A1、A3驱动单元沿z方向(3方向)伸长、y方向(2方向)缩短，A2、A4沿z方向(3方向)缩短、y方向(2方向)伸长；协同作用进一步导致致动器产生一个面内“畸变”。因为与B接触面固定，压电致动器的自由端沿y方向(2方向) 的伸缩相互抵消，而z方向(3方向)的伸缩叠加，致动器产生“准切变”位移δz，也称为 d₃₄面切变(d₃₄faceshear)。这是因为施加电场是沿3方向(极化方向，z方向)，切变是在面内“4”方向(即2-3所在的面内切变)；主切变方向是沿着z轴方向的切变。

其中，d₃₅模式和d₃₄模式致动器结构一样，但固定面不同，由此在产生准切变运动时所利用陶瓷压电效应不同，产生的变形情况也不相同，故为2种不同模式。

再次强调一下：数字1-6是指弹性力学中的应变方向，这里1、2、3分别指右手坐标系下三个正交方向的主应变方向，3同时还特指压电材料的极化方向；4、5、6分别指两个主应变所在平面的剪切应变，如4方向为2、3面发生切变方向，5方向为1、3面发生切变方向， 6方向为1、2面发生切变方向。

本发明还提供利用多层共烧方式制备准切变模式多层压电致动器的方法，包括如下步骤：

高压电性能压电陶瓷粉加入有机溶剂(乙酸乙酯、邻苯二甲酸二正辛脂、聚乙烯醇缩丁醛)后制备浆料，用流延的方法得到压电陶瓷素坯；

烘干后，将素坯切成一定大小，表面印上被预先设计和划分图案的银电极，并与若干层无印刷电极的素坯叠加，构成第一个陶瓷片P₁；以此类推，制备P₁，P2，….P_N个陶瓷片；

对上述N个陶瓷片(P₁，P2，….P_N)沿厚度方向依次叠加成结构，然后热压在一起，进行排胶、高温烧结，形成一体化结构的多层陶瓷；

对上述一体化结构的多层陶瓷表面制备外电极，以将内部预设图案的电极在电路上形成并联结构，并按照内部预设图案电极划分可形成(2×2)阵列四个驱动单元；

对上述一体化结构的多层陶瓷进行极化，得到所述多层结构“准切变”模式压电致动器。

上述的压电致动器制备方法中，所述压电陶瓷的一个例子是采用铌镍酸铅-锆钛酸铅，化学式为0.55Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.135PbZrO₃-0.315PbTiO₃。其它具有高压电性能的锆钛酸铅 PZT基陶瓷、钪酸铋-钛酸铅BS-PT基高温压电陶瓷、铌酸钾钠KNN基无铅陶瓷、以及钛酸钡BaTiO₃基等其它无铅压电陶瓷也可以用于本发明实施例。

上述的压电致动器制备方法中，所述多层结构“准切变”模式压电致动器，分别通过施加“正”和“负”极性电压，使结构两个对角线方向的驱动单元，分别产生“伸长”和“缩短”，因此使结构产生一个面内的“准切变”模式。注意这个“准切变”模式是利用多层陶瓷单元的d₃₃或d₃₁压电应变使结构两个对角线分别伸长和缩短而产生的面内切向“畸变”；每个陶瓷片的极化方向与施加电场的方向或者平行，或者反平行。这种结构与驱动模式完全不同于传统的d₁₅压电应变驱动模式，后者陶瓷片的极化方向与施加电场的方向必须正交才能产生切变运动模式。因此传统的多层结构d₁₅压电切变致动器只能通过胶黏法制备，而不能通过多层共烧方法制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的可共烧切变型多层致动器及其制备方法，可以通过采用多层压电陶瓷共烧工艺，完成“准切变”模式致动器的制备。通过电压与极化方向的排布，利用结构压电致动器内部四个驱动单元沿两个对角线方向的反对称伸缩应变，可以实现d₁₅压电应变产生的切变功能。通过共烧工艺制备多层压电致动器，相比胶黏法制备，本发明的器件体积更小、响应更快、温度和结构稳定性更好；更重要的是还可以利用目前很成熟的流延共烧工艺实现批量化生产。

本发明提供的可共烧切变型多层、压电致动器，应用于精密定位相关的精密制造、加工、驱动等领域，通过利用单个压电陶瓷驱动单元的d₃₃或d₃₁模式产生的变形和结构设计，使得致动器沿两个对角线方向产生不对称的伸缩，产生“准切变”模态，可取代d₁₅切变模态，同时还可以实现切变模式多层致动器的共烧，为器件小型化、精密化、低成本批量化制备，以及提升器件功能的温度与结构稳定性具有很大意义。

附图说明

图1为多层陶瓷单元结构示意图；

其中，A、B分别为陶瓷片、内电极。

图2、图3、图4分别为本发明提供的d₃₆模式、d₃₅模式、d₃₄模式“准切变”多层共烧结构致动器的多层可共烧“准切变”型压电致动器结构(a)、工作模式(b)，和“准切变”位移的有限元模拟示意图(c)；

其中，A1、A2、A3、A4分别为四个驱动单元；B为固定座；P为极化方向；“+”、“-”表示施加电压的“极性”情况。

图5为本发明实施中多层共烧切变型致动器制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

多层“准切变”模式压电致动器结构包括：(i)d₃₆模式“准切变”致动器，(ii)d₃₅模式“准切变”致动器，以及(iii)d₃₄模式“准切变”致动器。

多层共烧致动器中的四个驱动单元分别具有设定的极化方向、多层结构排布方向和电压施加方向；其中，各驱动单元均为含内电极的多层压电陶瓷结构，如图1所示。

所述第一种是d₃₆模式准切变多层共烧结构致动器，见图2(a)；该致动器按照电极划分，可看成由四个d₃₁模式驱动单元组成；每个驱动单元也是小的多层结构、排成2×2矩阵，且均沿厚度方向交替正负极化和排布(见图1)。驱动时，沿对角线(a-a)方向的两个单元A1 和A3施加相同的正(或负)电压，另一对角线(b-b)上的两个驱动单元A2、A4施加负(或正)电压，导致对角线(a-a)伸长(或缩短)，另一对角线(b-b)缩短(或伸长)，见图2中的(b)；它们不对称应变的协同作用，进一步导致致动器产生一个面内“畸变”；当致动器底边固定，这个面内“畸变”就成为“准切变”，也称为d₃₆面切变(d₃₆face shear)，因为施加电场是沿3方向(极化方向，z方向)，切变是在面内6方向。驱动时，致动器的底面是固定的，上面的那一个面是自由的，可以用来作为位移输出端；利用压电陶瓷四个驱动单元的d₃₁变形和协同驱动作用，使多层结构致动器产生一个d₃₆面内“准切变”运动。

图2(a)为本发明第一种可共烧d₃₆模式切变型多层致动器的结构示意图，致动器由4个驱动单元A1、A2、A3、A4组成；每个驱动单元均为如图1所示的多层压电陶瓷结构，驱动单元中的每个陶瓷片的极化方向由箭头P所示，它们在电路上为并联连接；驱动单元A1、A3 接正电压，A2、A4接负电压，驱动电压为低频矩形波电压或低频正弦波驱动电压。致动器底部与一个固定座B固定，它的上表面为位移输出端。用有限元方法计算可得该发明结构的变形示意图，如图2(c)所示。由于压电陶瓷的d₃₁效应，A1、A3驱动单元沿x轴(1轴)方向缩短，A2、A4沿x轴(1轴)方向伸长，由于致动器底部与固定座B固定，所以致动器会产生如图2(c)所示的沿x轴方向的“准切变”位移δx。有限元模拟结果证实致动器的主切变方向是沿x方向的切变。

所述第二种是d₃₅模式“准切变”多层共烧结构致动器，见图3(a)；该致动器按照电极划分，可看成由四个d₃₃模式驱动单元组成；每个驱动单元均为如图1所示的小的多层结构、排成2×2矩阵，且均沿高度方向交替正负极化和排布。驱动时，沿对角线(a-a)方向的两个单元A1和A3施加相同的正(或负)电压，另一对角线(b-b)上的两个驱动单元A2、A4施加负(或正)电压，导致对角线(a-a)伸长(或缩短)，另一对角线(b-b)缩短(或伸长)，见图3(b)；它们的协同作用，进一步导致致动器产生一个在面内“5”方向的“畸变”；当致动器底边固定，这个面内“畸变”就成为“准切变”，也称为d₃₅面切变(d₃₅face shear)，因为施加电场是沿3方向(极化方向，z方向)，切变是在面内5方向。驱动时，致动器的底面是固定的，上面的那一个面是自由的，可以用来作为位移输出端；这样，通过压电陶瓷的四个驱动单元A1-A4的d₃₃变形和协同驱动作用，使多层结构致动器产生一个d₃₅面内“准切变”运动。

图3(a)为本发明第二种可共烧切变型多层致动器的结构示意图，致动器由4个驱动单元 A1、A2、A3、A4组成，每个驱动单元均为如图1所示的多层结构；每个驱动单元中的陶瓷片的极化方向由箭头P所示，它们在电路上为并联连接；驱动单元A1、A3接正电压，A2、 A4接负电压，驱动电压为低频矩形波电压或低频正弦波驱动电压。致动器底部与一个固定座B固定，它的上表面为位移输出端。用有限元方法计算可得该发明结构的变形示意图，如图3中的(c)所示。由于压电陶瓷的d₃₃效应，A1、A3驱动单元沿x轴(1轴)方向缩短、z 轴(3轴)方向伸长，A2、A4沿x轴(1轴)方向伸长、z轴(3轴)方向缩短，由于与B接触面固定z轴(3轴)方向的伸缩会相互抵消，而x轴(1轴)方向则会叠加，所以致动器会产生如图3(c)所示的沿x轴(1轴)方向的“准切变”位移δx。有限元模拟结果证实致动器的主切变方向是沿x轴方向的切变。

所述第三种共烧切变模式压电致动器也是由四个d₃₃模式驱动单元组成，见图4(a)；致动器中的每个驱动单元也是小的多层结构、排成2×2矩阵，且均沿宽度方向交替正负极化和排布。驱动时，沿对角线(a-a)方向的两个单元A1和A3施加相同的正(或负)电压，另一对角线(b-b)上的两个驱动单元施加负(或正)电压，导致对角线(a-a)伸长(或缩短)，另一对角线(b-b)缩短(或伸长)，见图4(b)；它们的协同作用，进一步导致致动器产生一个“4”面内的“畸变”；当致动器底边固定，这个面内“畸变”就成为“准切变”，也称为d₃₄面切变(d₃₄face shear)，因为施加电场是沿3方向(极化方向，z方向)，切变是在面内“4”方向。驱动时，相对固定底面，上面的那一个自由面可以用来作为位移输出端；利用压电陶瓷的四个驱动单元的d₃₃变形的协同驱动作用产生d₃₄面内“准切变”运动。

图4(a)为本发明第三种可共烧切变型多层致动器的结构示意图，致动器由4个驱动单元 A1、A2、A3、A4组成，每个驱动单元均为如图1所示的多层结构；每个驱动单元中的陶瓷片的极化方向由箭头P所示，它们在电路上为并联连接；驱动单元A1、A3接正电压，A2、 A4接负电压，驱动电压为低频矩形波交流电压或低频正弦波驱动电压。致动器底部与一个固定座B固定，它的上表面为位移输出端。用有限元方法计算可得该发明结构的变形示意图，如图4(c)所示。由于压电陶瓷的d₃₃效应，A1、A3驱动单元沿z轴(3轴)方向伸长、y轴 (2轴)方向缩短，A2、A4沿z轴(3轴)方向缩短、y轴(2轴)方向伸长，由于与B接触面固定，y轴(2轴)方向的伸缩会相互抵消，而z轴(3轴)方向则会叠加，所以致动器会产生如图4(c)所示的“准切变”位移δz。有限元模拟结果证实致动器的主切变方向是沿着z轴方向的切变。

注意上述的三种“准切变”模式多层致动器，各个驱动单元所施加的电场方向均和陶瓷片的极化方是平行而不是垂直，这就为准切变致动器的多层共烧创造了条件。

表1.可共烧切变型多层致动器与d₁₅切变模式致动器有限元模拟结果对比

其中准切变模式致动器中的每个驱动单元是小的多层结构、排成2×2矩阵，整体尺寸20 mm*20mm*5mm，沿极化方向单层厚度1mm。因为d₁₅切变型致动器不能实现多层共烧结构制备，这里采用一个拥有相同外观尺寸的单片致动器作为对比。

本发明提出了一种可共烧切变型多层、压电致动器，应用于精密定位相关的精密制造、加工、驱动等领域，通过利用单个压电陶瓷驱动单元的d₃₃或d₃₁模式产生的变形和结构设计，使得致动器沿两个对角线方向产生不对称的伸缩，产生“准切变”模态，可取代d₁₅切变模态，同时还可以实现切变模式多层致动器的共烧，为器件小型化、精密化，以及提升器件功能的温度与结构稳定性有很大意义。下面将对本发明中的压电致动器结构和制备方法结合图进行进一步说明。

本实施例提出的三种可共烧切变型多层压电致动器制备方法均可采用以下步骤制备，但电极划分和极化方向按照三种结构设计略有不同，具体结构请参照图2、3、4：

步骤101、高压电性能压电陶瓷粉的制备。

压电陶瓷的材料具体采用铌镍酸铅-锆钛酸铅，化学式为0.55Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.135PbZrO₃-0.315PbTiO₃。压电陶瓷的材料还可以为具有高压电性能的锆钛酸铅PZT基陶瓷、钪酸铋-钛酸铅BS-PT基高温压电陶瓷、铌酸钾钠KNN基无铅陶瓷、钛酸钡BaTiO₃基等其它无铅压电陶瓷。

具体地，确定压电陶瓷的材料组分，按照化学计量比进行配比，经过一次球磨混料、预烧、二次球磨、烘干成陶瓷粉。

步骤102、流延浆料制备：上述陶瓷粉与乙酸乙酯、邻苯二甲酸二正辛脂、聚乙烯醇缩丁醛球磨混合12到24小时。

步骤103、流延：陶瓷浆料流延成厚度为10到200μm厚膜素坯。优选为20到50μm 厚膜素坯。

步骤104、印刷电极：把素坯切成一定大小尺寸，在表面用丝网印刷方式印刷预定设计的电极，电极图案的边部要留白避免叠层过程中发生短路或者极化击穿的问题。

具体地，有的素坯印刷电极，有的素坯空白不用印刷；带电极的素坯之间要间隔几层空白素坯。

步骤105、叠层：两层带电极素坯之间间隔N层空白素坯，且厚度大于电极图案边部留白宽度，一般厚度0.2mm到0.5mm，然后按照所述的三种结构设计，分别进行陶瓷片叠层。

步骤106、热压：叠层成指定结构后，用热等静压的方法把陶瓷素坯压实，一般在120℃、压强20MPa的条件下压15到30分钟。

步骤107、排胶、烧结：叠层后样品要经过排胶步骤，把有机物排掉，避免在后面烧结过程中由于升温速度过快而直接碳化，影响样品性能，排胶步骤一般以小于1℃/min速度升温、升温至450℃，最后烧结以5℃/min升温速度在陶瓷烧结温度烧结，但要注意内电极烧结温度匹配。

步骤108、外电极：多层陶瓷表面制备外电极，以将内部电极在电路上形成并联结构。

步骤109、极化：压电陶瓷的极化温度一般在半居里温度附近，极化电场一般为矫顽场的3到5倍。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种准切变模式多层共烧压电致动器，为长方体多层结构，包括排成2×2矩阵的四个驱动单元；每个驱动单元均为长方体；每个驱动单元内部也由小的长方体多层结构块组成；每个小长方体多层结构块分别具有设定的极化方向、多层结构排布方向和电压施加方向；

每个驱动单元均为含内电极的多层压电陶瓷结构，且各驱动单元中的压电陶瓷片均沿厚度方向交替正负极化；各驱动单元所施加的电场方向均和陶瓷片的极化方向是平行或反平行；每个驱动单元中含内电极的多层压电陶瓷片在电路上为并联连接；

多层共烧压电致动器的底部与一个固定座B固定连接，上表面为位移输出端；

沿对角线的一对驱动单元施加相同极性的工作电压，而对另一对角线的两个驱动单元则施加极性相反的工作电压；通过四个驱动单元沿两个对角线方向的协同伸缩驱动，使得位移输出端产生所需要的“准切变”运动，由此成为准切变模式多层共烧压电致动器。

2.如权利要求1所述准切变模式多层共烧压电致动器，其特征是，驱动单元从左上按逆时针方向分别编号为A1～A4；驱动单元的极化方向、外加电场方向、所产生的应变不同；

将驱动单元的极化方向记为z方向，按照右手正交坐标系确定x方向与y方向的坐标方向；x、y、z方向分别对应角标1、2、3；x、y、z方向中的两个主应变所在平面的剪切应变方向分别对应角标4、5、6；4方向为y、z发生切变方向，5方向为x、z发生切变方向，6方向为x、y发生切变方向；

按照电极划分，所述四个驱动单元为四个d₃₁模式驱动单元或四个d₃₃模式驱动单元；所述准切变模式多层共烧压电致动器具体包括三种模式：d₃₆准切变模式多层共烧压电致动器、d₃₅准切变模式多层共烧压电致动器、d₃₄准切变模式多层共烧压电致动器。

3.如权利要求2所述准切变模式多层共烧压电致动器，其特征是，d₃₆准切变模式多层共烧压电致动器具体为：

按照电极划分，所述四个驱动单元为四个d₃₁模式驱动单元；驱动单元A1、A3接正电压，驱动单元A2、A4接负电压；驱动电压为低频矩形波电压或低频正弦波驱动电压；

d₃₆准切变模式多层共烧压电致动器与固定座B的接触固定面为y方向；

压电陶瓷的d₃₁效应使得A1、A3驱动单元沿x方向缩短，A2、A4驱动单元沿x方向伸长；还使得A1、A3驱动单元沿y方向缩短，A2、A4驱动单元沿y方向伸长；固定座B接触面固定使得致动器的自由端沿y方向的伸缩相互抵消，而沿x方向的伸缩叠加；由此使得致动器的主切变方向为沿x方向的切变；

驱动时，沿A1和A3驱动单元的对角线方向施加相同的正电压或负电压，对应地沿驱动单元A2、A4对角线方向施加负电压或正电压，使得A1和A3驱动单元所在的对角线伸长或缩短，而A2和A4驱动单元所在的对角线相应缩短或伸长，由此产生不对称应变的协同作用，进一步使得致动器产生一个面内“畸变”；

施加电场沿极化方向z方向；致动器底边固定，面内“畸变”成为“准切变”，切变为在面内6方向，也称为d₃₆面切变；

利用压电陶瓷四个驱动单元的d₃₁变形和协同驱动作用，使多层结构致动器产生一个d₃₆面内“准切变”运动，由此构成d₃₆准切变模式多层共烧压电致动器。

4.如权利要求2所述准切变模式多层共烧压电致动器，其特征是，d₃₅准切变模式多层共烧压电致动器具体为：

四个驱动单元按照电极划分为四个d₃₁模式驱动单元；

驱动单元A1、A3接正电压，A2、A4接负电压；或者驱动单元A1、A3接负电压，A2、A4接正电压；驱动电压为低频矩形波电压或低频正弦波驱动电压；

压电陶瓷的d₃₁效应使得A1、A3驱动单元沿x方向缩短，A2、A4沿x方向伸长；

压电陶瓷的d₃₃效应使得A1、A3驱动单元沿z方向伸长、A2、A4沿z方向缩短；

d₃₅准切变模式多层共烧压电致动器与固定座B的接触固定面为z方向；

与固定座B接触面固定使得z方向的伸缩相互抵消，而x方向叠加；致动器由此产生沿x轴方向的“准切变”位移δx，即致动器的主切变是沿x轴方向的切变；

驱动时，沿对角线方向的A1和A3驱动单元施加相同的正电压或负电压，相应地沿另一对角线上的驱动单元A2、A4施加负电压或正电压，使得对角线伸长或缩短的同时，另一对角线相应地缩短或伸长；进一步使得致动器产生一个在面内5方向的“畸变”，称为d₃₅面切变；通过压电陶瓷的四个驱动单元的d₃₃变形和协同驱动作用，使多层结构致动器产生一个d₃₅面内“准切变”运动。

5.如权利要求2所述准切变模式多层共烧压电致动器，其特征是，d₃₄准切变模式多层共烧压电致动器具体为：

四个驱动单元按照电极划分为四个d₃₃模式驱动单元；

驱动单元A1、A3接正电压，A2、A4接负电压；驱动电压为低频矩形波交流电压或低频正弦波驱动电压；

压电陶瓷的d₃₃效应使得A1、A3驱动单元沿z方向伸长、y方向缩短，A2、A4沿z方向缩短、y方向伸长；协同作用进一步使得致动器产生一个面内“畸变”；d₃₄准切变模式多层共烧压电致动器与固定座B的接触固定面为y方向，使得压电致动器的自由端沿y方向的伸缩相互抵消，而z方向的伸缩叠加，致动器产生“准切变”位移δz，也称为d₃₄面切变；切变是在面内4方向；主切变方向为沿着z轴方向的切变。

6.利用多层共烧方式制备权利要求1～5所述准切变模式多层共烧压电致动器的方法，包括如下步骤：

1)制备压电陶瓷粉：将压电陶瓷的材料组分，按照化学计量比进行配比，经过一次球磨混料、预烧、二次球磨、烘干成陶瓷粉，即得到高压电性能压电陶瓷粉；

2)高压电性能压电陶瓷粉加入有机溶剂后制备浆料，用流延的方法得到压电陶瓷素坯；

3)将烘干后的压电陶瓷素坯切成一定大小；在一部分压电陶瓷素坯的表面印刷预定设计和划分图案的银电极；并与多层无印刷电极的素坯叠加，制备得到陶瓷片P₁，P2，….P_N；

4)对上述N个陶瓷片P₁，P2，….P_N沿厚度方向依次叠加成结构，然后热压在一起，进行排胶、高温烧结，形成一体化结构的多层陶瓷；

5)在一体化结构的多层陶瓷表面制备外电极，将内部预设图案的电极在电路上形成并联结构，并按照内部预设图案电极划分，形成四个2×2阵列的驱动单元；

对一体化结构的多层陶瓷进行极化，即得到多层结构的准切变模式的压电致动器。

7.如权利要求6所述方法，其特征是，压电陶瓷的材料具体采用铌镍酸铅-锆钛酸铅，化学式为0.55Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.135PbZrO₃-0.315PbTiO₃。

8.如权利要求6所述方法，其特征是，压电陶瓷的材料为具有高压电性能的锆钛酸铅PZT基陶瓷、钪酸铋-钛酸铅BS-PT基高温压电陶瓷、铌酸钾钠KNN基无铅陶瓷、钛酸钡BaTiO₃基中的一种。

9.如权利要求6所述方法，其特征是，步骤2)中，有机溶剂采用乙酸乙酯、邻苯二甲酸二正辛脂、聚乙烯醇缩丁醛；将高压电性能压电陶瓷粉加入有机溶剂球磨混合12到24小时，制备得到浆料。

10.如权利要求9所述方法，其特征是，陶瓷浆料流延成厚度为10到200μm的厚膜素坯。