CN1114231C - 一种全电极陶瓷驱动器的制备技术 - Google Patents

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一种全电极陶瓷驱动器的制备技术，主要包括将涂覆有3A型有机粘结胶的全电极陶瓷厚膜元件叠成所需高度后，夹紧在70-80℃，12-16小时固化；然后经冷加工使每层元件的端电极完全暴露，再用阻焊油墨8均匀涂覆外露端电极6的4个侧面，油墨固化后在前后两个相对侧面或左右两个相对侧面分别按电极层数间隔刻出端电极6使其交替外露；最后用导电胶将前后两个侧面或左右两个侧面按电极层数间隔外露的端电极6涂覆连接起来，在固化的导电胶上焊接引线。制备的陶瓷驱动器具有位移均匀、抗负载力强、机械强度高、工作电压低等优点。

Description

一种全电极陶瓷驱动器的制备技术
技术领域：
本发明涉及一种全电极陶瓷驱动器的制备技术，更确切地说涉及一种制备全电极电控微位移陶瓷驱动器的制备技术。属于陶瓷驱动器领域。
背景技术：
电控微位移陶瓷驱动器是一种采用具有电致应变效应的特种功能陶瓷材料，经特殊的结构设计和精细的工艺制作而成的可随外电场变化产生精密位移的电控微动器件。其位移量可根据实际需求设计，一般位移分辨率为纳米级，响应时间为微秒级，是当代高技术功能器件之一。这类电控微位移器的应用甚广，涉及光学、精密机械加工、微电子技术的机械系统、精密流量控制等技术领域。例如，利用这种电控微位移驱动器，可制作各种光学变形镜、光学精密微动台、光纤通讯中的光纤耦合对准熔接台、光滤波、光调谐的法帕腔。在精密机械加工中作电控微进刀、精密加工定位及误差补偿等。
然而，作为电控微位移器用的压电陶瓷或电致伸缩陶瓷的驱动电压都比较高，通常为0.6～1.0kv/mm，实际应用中使用者都不希望使用如此高的电压，因此往往要求尽量减小工作层的厚度，使器件的工作电压降低。其次，在微动工程技术的应用中要求器件的位移量达数微米，数十微米甚至更大。
为了降低工作电压并获得大位移量以适应实际应用要求的目的，人们采用了薄陶瓷片做成的叠层式器件的设计，但在电极引线方面遇到了麻烦，为了实现叠层器件中每层陶瓷电极的引出，采用二种方式：一种方式如图1所示，每个陶瓷片间插入带耳朵的金属片作电极引出线，50层陶瓷片就要插入50个金属片。图1中1是陶瓷片，2是金属片，3是金属片外露耳朵，4是电极引出线。金属片的插入引进了非电致应变材料，减少了器件的位移量；又由于金属片的物理特性与陶瓷材料相差甚远，破坏了器件的特性。
另一种方式是如图2所示，将每陶瓷片的二面各留出无电极边，然后层层叠起构成所谓非全电极器件。如图2-1所示。图中1是陶瓷片(或陶瓷厚膜)，4是电极引出线，5是外电极，6是外露端电极；图2-2是陶瓷片A、B二个面的电极涂覆示意图，5是电极，7为无电极边。此类结构因留有无电极边从而出现非电致应变区(或称电致应变死区)。
图3为非全电极结构的驱动器工作面位移分布，驱动器尺寸为5×33×33mm，工作电压400V，图中0代表驱动器工作面中心，纵座标S表示位移(单位为μm)，横座标D单位为mm，表示驱动器工作面沿对角线方向上某点离中心距离。由图可见，非全电极结构所产生的位移极不均匀，存在很大内应力，器件容易碎裂，尤其在有负载力工作条件下情况更为严重。
本发明人还了解到日本NEC公司用覆盖玻璃粉作绝缘物的方法制备了压电陶瓷微位移驱动器(Ferroelectrics，Vol，50，1983，p.181-190)。虽然获得了比较低的工作电压，但工艺繁杂，该工艺的缺点是(1)需覆盖玻璃粉；(2)需将玻璃粉烧结；(3)需将原非全电极部份切除掉，最后才形成全电极器件。此外，制备的微位移器件抗力负载稳定性较差而且要求用钯银制作电极，成本高。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种全电极层叠式电控微位移陶瓷驱动器的制备技术，利用本制备技术可获得位移均匀、机械强度高、抗负载力强、工作电压较低的新型电控位移器件。
本发明提供的制备技术包括二方面。一是电致伸缩陶瓷厚膜元件；二是将厚膜元件制成电控微位移驱动器，现详述如下。
本发明选用的电致伸缩陶瓷厚膜元件是组份为Pb(Mg1/3Nb2/3)O3的铌镁酸铅(简称PMN)，采用Pb3O4、MgCO3、Nb2O5、TiO2等原料按照电子陶瓷一般制备工艺通过配料、混料、合成、粉碎、制成以PMN为基的电致伸缩陶瓷粉体，接着用轧膜机将粉体制成生坯膜带，经冲片、排塑、烧成、最后制成0.40mm厚的厚膜陶瓷元件。再经印刷并烧渗银电极后制成全电极电致伸缩陶瓷厚膜元件，其介电与电致伸缩性能示于表1和图4。图4显示PMN基电致伸缩陶瓷材料电致应变(S)与电场(E)的关系。横座标为电场E，单位为kv/mm，纵座标为纵向电致应变S11(×10-3)。测试电场的变化频率为0.07Hz，测试温度为室温，表1是不同温度烧结的PMN基电致伸缩陶瓷元件的基本电性能(25℃)。
     表1、PMN基电致伸缩陶瓷元件的电性能(25℃)
烧结温度(℃)     介电常数εr(×103)   电致应变*S11(×10-3) 机电滞后*(％)
    1160     14.6     0.60     4.7
    1180     15.3     0.74     5.4
    1200     18.1     0.78     5.7
    1220     20.1     0.83     6.7
*电致应变和机电滞后测试驱动电场为±1.0kv/mm，频率为0.07Hz
本发明提供的制备技术的另一方面是电控微位移器的制作，也是本发明的实质所在。它包括下列过程：
(1)全电极电致伸缩陶瓷厚膜元件的形状为长方形或正方形；
(2)将全电极的电致伸缩陶瓷厚膜元件逐一涂覆市售3A型特种有机粘结胶；
(3)将上述厚膜元件逐一层层叠装成所需高度，随即用夹具夹紧、定位后在70-80℃，12-16小时固化；
(4)将固化后的层叠的厚膜元件从夹具中取出，冷加工至需要尺寸，使每层元件的端电极完全暴露在外；
(5)用阻焊油墨均匀涂覆外露端电极的前后左右个侧面，然后使阻焊油墨光固化；
(6)光固化后，选择前后两个相对侧面或左右两个相对侧面分别按电极层数间隔刻出端电极使其按电极层数间隔外露；
(7)用导电胶将前后两个侧面或左右两个侧面按电极层数间隔外露出来的端电极涂覆并连接起来，然后于100℃，1-2小时使导电胶固化；
(8)在经固化的导电胶上焊接引线，再用市售3A胶将导电胶和引线焊点涂覆并固化，固化条件是温度70-80℃，时间12-16小时。
经过上述8个过程，制成全电极叠层式陶瓷驱动器结构示意如图6所示。图中1是陶瓷片；6是外露端电极，它们位于前后两个或左右二个相对侧面，且按电极层数间隔外露；8是阻焊油墨均匀涂覆于外露端电极的前后左右4个侧面；9是导电胶，涂覆在两个相对外露电极的侧面，使每个侧面外露电极相互连接起来，10为3A胶，涂覆在导电胶和引线焊点起保护作用；4为电极引出线。
本发明人对按上述过程制造的全电极陶瓷驱动器进行了性能测定。
(1)在室温下进行了位移(S)与工作电压(V)的关系。如图7所示，图中横座标为电压(V)，纵座标为位移S(μm)，在室温(20℃)条件下，电位从0 400V的变化，频率变化仅为0.07Hz。
(2)驱动器工作面位移分布均匀性测定。如图8所示，其横座标和纵座标与上述图3非全电极相同，从图8与图3相比，可以清楚地说明全电极型工作面电致位移分布比非全电极均匀。
(3)抗负载力测定。如图9所示，全电极电控微位移驱动器具有很强的抗负载能力和很高的机械强度。驱动器尺寸为29×33×33mm，工作电压为400V，横座标为负载力，单位为kg，纵座标为位移S，单位为μm。由图可见在0-200kg范围，驱动器电致位移稍有下降，而从200kg到1000kg范围，位移非但不下降反而略有上升，这可能是由于各层元件间的粘结剂在大的机械力作用下反弹所致。
由上所述，用本发明人提供的制备技术制备的全电极电控陶瓷驱动器的优点是：
(1)因不采用插入金属片作电极引线，明显提高了器件的位移/高度比，并使器件物理性能与电致应变材料性能较为接近；
(2)与非全电极型器件相比明显优点是电致位移均匀，抗负载力强，机械强度高；
(3)工作电压较低。
具体实施方式：
以下结合实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但决非限制本发明。
实施例1
精密机械加工用陶瓷驱动器。用表1所示的1220℃烧结的铌镁酸铅基电致伸缩陶瓷厚膜元件，其尺寸为33×33×0.4mm，使用了195片该陶瓷元件，采用了本发明的制备全电极陶瓷驱动器技术，获得了尺寸为30×30×80mm的全电极型、大位移量、抗负载力强并有较低驱动电压的新型陶瓷驱动器，其中3A胶的固化温度为75℃，固化时间为15小时，用导电胶将外露端电极涂覆并连接后，100℃，1.5小时使导电胶固化。该驱动器的电容C为22.51μF，其在300V工作电压下位移可达到57μm，位移S11与工作电压的关系示于图7。在1.2吨压力下工作其位移仅下降7％，而且该下降仅呈现在0～200kg压力范围。本实施例提供的全电极陶瓷驱动器已在工作压力为603kg的精密磨削机床中作微幅进给和加工误差补偿的应用。
实施例2
用表1所示的1180℃烧成的PMN基陶瓷厚膜，尺寸为9×9×0.4mm，以236片电致伸缩陶瓷元件组装成了尺寸为9×9×120mm的全电极型陶瓷驱动器，其主要性能是电容C＝4.15μF，在不同工作电压下工作时其位移量如下表所示：
    工作电压(V)     位移(μm)
    100     13.0
    200     54.3
    300     75.9
    350     85.2
    400     90.8
其中3A胶的固化温度为80℃，固化时间为12小时，导电胶固化温度为100℃，固化时间为2小时，其余同实施例1。本实施例制作的陶瓷驱动器可用于控制飞机机翼舵面。

Claims (2)

1、一种全电极陶瓷驱动器的制备技术，包括全电极的陶瓷厚膜元件制备，其特征在于：
(1)全电极电致伸缩陶瓷厚膜元件的形状为长方形或正方形；
(2)将全电极的电致伸缩陶瓷厚膜元件(1)逐一涂覆市售3A型特种有机粘结胶；
(3)将上述厚膜元件逐一层层叠装成所需高度，随即用夹具夹紧、定位后在70-80℃，12-16小时固化；
(4)将固化后的层叠的厚膜元件从夹具中取出，冷加工至需要尺寸，使每层元件的端电极完全暴露在外；
(5)用阻焊油墨(8)均匀涂覆外露端电极(6)的前后左右4个侧面，然后使阻焊油墨光固化；
(6)光固化后，选择前后两个相对侧面或左右两个相对侧面分别按电极层数间隔刻出端电极(6)使其按电极层数间隔外露；
(7)用导电胶将前后两个侧面或左右两个侧面按电极层数间隔外露出来的端电极(6)涂覆并连接起来，然后于100℃，1-2小时使导电胶固化；
(8)在经固化的导电胶上焊接引线，再用市售3A胶将导电胶和引线焊点涂覆并固化，固化条件是温度70-80℃，时间12-16小时。
2、按权利要求1，其特征在于所述的全电极陶瓷厚膜元件制备是：
(1).全电极陶瓷厚膜元件组份为Pb(Mg1/3Nb2/3)O3；
(2).用电子陶瓷一般制备工艺制成陶瓷粉体；
(3).用精密轧膜机轧制成生坯膜带，经冲片、排塑、烧成、最后制成0.40mm厚的厚膜陶瓷元件；
(4).经印刷并烧渗银电极。
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