CN112786776A - 一种压电单晶驱动器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种压电单晶驱动器及其制备方法，包括压电单晶堆，压电单晶堆包括多个单晶片，多个单晶片(101)沿其厚度方向堆叠，且多个单晶片(101)之间电路并联连接；所述单晶片(101)的厚度方向为<011>方向、长度方向为<100>方向、宽度方向选取<0‑11>方向；本发明在三维定向下的单晶片，其横向压电系数为2000pC/N以上，使得其在驱动电压相同情况下，其层数少，输出形变大、工作频率高等特点。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动元件技术领域，具体涉及一种压电单晶驱动器及其制备方法。
背景技术
压电驱动器是材料的压电性能，在一定的电压驱动下，输出相应的位移，一般使用的压电材料为压电陶瓷材料。常用的压电陶瓷的纵向压电系数d33约750pC/N，横向压电系数d31约240pC/N，相比较而言，纵向压电系数d33是横向压电系数d31的2倍多，因此使用压电陶瓷制备的驱动器，都是使用纵向驱动的模式。在这种模式下，驱动器的输出位移与材料的压电系数、驱动电压和驱动器的层数相关，因此在压电系数和驱动电压确定的情况下，只有通过增加驱动器的层数来获取较大的位移输出，层数一般在100以上，这样就导致驱动器的制备工艺繁杂，成品率低，从而导致产品的价格高。同时，由于层数增加，单层厚度的减小，使得驱动器的电容量增大，从而限制了驱动器在高频下的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电单晶驱动器及其制备方法，解决了现有的压电单晶驱动器的成本高、成品率低，且使得该驱动器不能在高频环境下使用。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种压电单晶驱动器，包括压电单晶堆，压电单晶堆包括多个单晶片，多个单晶片沿其厚度方向堆叠，且多个单晶片之间电路并联连接；所述单晶片的厚度方向为<011>方向、长度方向为<100>方向、宽度方向选取<0-11>方向。
优选地，所述单晶片为PIMNT压电单晶材料。
优选地，所述压电单晶堆沿其长度方向的两端端部分别设置绝缘端盖。
优选地，所述绝缘端盖为氧化铝片。
优选地，两个相邻的单晶片之间采用环氧树脂连接。
一种压电单晶驱动器的制备方法，包括以下步骤：
制备多个单晶片，其中,每个单晶片的厚度方向为<011>方向，长度方向为<100>方向，宽度方向为<0-11>方向；
根据得到的多个单晶片制备压电单晶堆，具体地：将多个单晶片沿其厚度方向进行堆叠，且多个单晶片的电路并联连接；
通过压电单晶堆制备获得压电单晶驱动器。
优选地，制备单晶片的具体方法是：
利用旋转XRD方法对晶体进行三维定向，所述单晶为长方体结构，该长方体结构的厚度方向为<011>方向，长度方向为<100>方向，宽度方向为<0-11>方向；
对定向后的单晶依次进行切割、减薄处理，得到预设尺寸的初级单晶片；
在得到的初级单晶片的上下表面制备预设厚度的金属电极；
对得到的预设金属电极的单晶片进行极化处理，得到单晶片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种压电单晶驱动器，该三维定向下的单晶片，其横向压电系数为2000pC/N以上，使得其在驱动电压相同情况下，其层数少，输出形变大、工作频率高等特点；采用堆叠方式布置单晶片，主要是为了降低驱动电压；由驱动器的输出位移公式可以看出，在压电系数d32和长度确定的情况下，减小单晶片的厚度，能够在相同电压下，获得更大的位移输出；同时，叠层和单层在长度方向上输出的位移量是相等的，堆叠后的单晶堆，具有更高的机械强度和驱动力。
本发明提供的本发明提供的一种压电单晶驱动器的制备方法，制备工艺简化，得到的压电驱动器结构简单。
附图说明
图1是单晶片的三维定向示意图；
图2是上表面预设有金属电极的单晶片；
图3是下表面预设有金属电极的单晶片；
图4是压电单晶驱动器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1至图4所示，本发明提供的一种压电单晶驱动器，包括压电单晶堆1、导线2和绝缘端盖3，其中，压电单晶堆1的上下两端均设置有导线；所述压电单晶堆1沿其长度方向的两端端部分别设置绝缘端盖3。
所述压电单晶堆1包括多个单晶片101，多个单晶片101采用结构上串联、电路上并联的方式相互贴合堆叠。
采用堆叠方式布置单晶片，主要是为了降低驱动电压；由驱动器的输出位移D＝d32*(U/t)*L，可以看出，在d32和长度确定的情况下，减小单晶片的厚度，可以在相同电压下，获得更大的位移D输出。叠层和单层在长度方向上输出的位移量是相等的，堆叠后的单晶堆，具有更高的机械强度和驱动力。
其中，D为驱动器输出位移；U为驱动电压；t为单晶片厚度；L为单晶片长度，
所述绝缘端盖3为氧化铝片。
所述单晶片101为长方体结构，所述长方体结构的厚度方向为<011>方向、长度方向为<100>方向、宽度方向选取<0-11>方向。该布置使得压电单晶的电学性质是最优的。
所述单晶片为PIMNT压电单晶材料。
本发明提供的一种压电单晶驱动器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，单晶片的晶体定向：利用“旋转XRD”方法对晶体进行三维定向，选取的单晶切型如图1所示的长方体结构，该长方体结构的厚度方向为<011>方向，长度方向为<100>方向，宽度方向选取<0-11>方向；
步骤2，制备单晶片：使用单线切割机或划片机，将步骤1中定好向的晶体，切割为比目标尺寸稍大的单晶薄片，然后使用机械减薄等方式将单晶片减薄到目标尺寸，得到单晶片；
步骤3，制备电极：使用磁控溅射、真空蒸镀或者烧结等方式在步骤2中得到的单晶片的上、下表面制备预设厚度的金属电极，所述电极材料是银、铬、金和钯中的一种或几种；如图2、图3所示；
步骤4，极化：使用直流或者交流极化的方式对单晶片进行极化处理，得到处理后的单晶片；
步骤5，堆叠：将多个单晶片采用结构上串联、电路上并联的方式相互贴合堆叠，得到压电单晶堆；两个相邻的单晶片之间采用环氧树脂连接；
步骤6，制备压电单晶驱动器：在压电单晶堆的上、下表面设置导线5，并在长度方向的两端粘结相同尺寸的氧化铝片，获得压电单晶驱动器，如图4所示；在单晶片的侧面使用导电银浆或类似导电浆料，用于将多片单晶片在电学上并联起来。
本发明得到的压电驱动器结构简单，制备工艺简化，同时电容量小，能够提高使用工作频率。
本发明使用的压电材料在<011>方向可以获得2000pC/N以上的横向压电系数d32，是一种性能非常优异的压电材料；并利用PIMNT压电单晶优异的横向压电性能，设计的压电驱动器，相同的电压下，使用8层单晶材料，即可获得层数大于100的压电陶瓷驱动器的位移，同时，驱动器的电容量不足陶瓷驱动器的10％，大大提高了驱动器的使用频率。
本发明相比于传统的使用33模式的纵向堆叠压电驱动器，使用相同电压获得相同位移输出的层数从几百层大幅降低到10层以内，制备难度大幅降低。同时，驱动器的电容量降低一个量级以上，更有利于在更高频率下使用。
Claims (7)
1.一种压电单晶驱动器，其特征在于，包括压电单晶堆(1)，压电单晶堆(1)包括多个单晶片(101)，多个单晶片(101)沿其厚度方向堆叠，且多个单晶片(101)之间电路并联连接；所述单晶片(101)的厚度方向为<011>方向、长度方向为<100>方向、宽度方向选取<0-11>方向。
2.根据权利要求1所述的一种压电单晶驱动器，其特征在于，所述单晶片为PIMNT压电单晶材料。
3.根据权利要求1所述的一种压电单晶驱动器，其特征在于，所述压电单晶堆(1)沿其长度方向的两端端部分别设置绝缘端盖(3)。
4.根据权利要求4所述的一种压电单晶驱动器，其特征在于，所述绝缘端盖(3)为氧化铝片。
5.根据权利要求1所述的一种压电单晶驱动器，其特征在于，两个相邻的单晶片之间采用环氧树脂连接。
6.一种压电单晶驱动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备多个单晶片，其中,每个单晶片的厚度方向为<011>方向，长度方向为<100>方向，宽度方向为<0-11>方向；
根据得到的多个单晶片制备压电单晶堆，具体地：将多个单晶片沿其厚度方向进行堆叠，且多个单晶片的电路并联连接；
通过压电单晶堆制备获得压电单晶驱动器。
7.根据权利要求6所述的一种压电单晶驱动器的制备方法，其特征在于，制备单晶片的具体方法是：
利用旋转XRD方法对晶体进行三维定向，所述单晶为长方体结构，该长方体结构的厚度方向为<011>方向，长度方向为<100>方向，宽度方向为<0-11>方向；
对定向后的单晶依次进行切割、减薄处理，得到预设尺寸的初级单晶片；
在得到的初级单晶片的上下表面制备预设厚度的金属电极；
对得到的预设金属电极的单晶片进行极化处理，得到单晶片。
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