CN113013321A - 一种压电单晶层叠驱动器的制备方法 - Google Patents

一种压电单晶层叠驱动器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种压电单晶层叠驱动器的制备方法，包括以下步骤：步骤1，对单晶片依次进行三维定向、切割、减薄、清洗，得到多个单晶薄片；步骤2，将得到的单晶薄片放置在溅射电极模具中进行溅射电极，得到单晶薄片电极；步骤3，将得到的单晶薄片电极放置在极化装置中进行电极极化，得到极化后的单晶薄片电极；步骤4，利用堆叠模具对极化后的单晶薄片电极进行堆叠，得到压电堆；步骤5，在得到的压电堆的侧面溅射电极，得到层叠驱动器；本发明解决了现有的层叠驱动器只能单片制备，不能批量生产的缺陷。

Description

一种压电单晶层叠驱动器的制备方法
技术领域
本发明属于压电材料领域，具体涉及一种压电单晶层叠驱动器的制备方法。
背景技术
压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应进行机械驱动或达到机械控制，实现电能与机械能的转换的一种新型驱动器。除了压电材料外，磁致伸缩材料、电致伸缩材料、热致伸缩材料、形状记忆合金(SMA)、电流变材料等新型功能材料也常用于驱动器。随着精密制造的快速发展，航空航天、生物工程、光学工程、机器人技术等领域都对高响应速度、高位移分辨率、结构多元、抗干扰能力的微位移驱动器有着很高的需求。相较于其它类型的驱动器，在性能方面，压电驱动器可通过压电材料的逆压电效应产生高频振动，还可通过压电材料的逆压电效应产成微形变，应用于精密制造领域，实现微纳米级定位、亚纳米级的分辨率、亚毫米级的快速响应、大驱动力、低功耗。在结构设计方面，压电驱动器设计灵活、结构紧凑、易于制造，因此被广泛的应用。因此，压电驱动器的性能更优于其它类型的驱动器。
目前，压电驱动器在实际应用中使用的材料基本上都是PZT压电陶瓷。PZT陶瓷输出应变的最大值为0.1％，由PZT陶瓷材料制成的压电陶瓷驱动器的位移量程非常小，无法满足大多数领域对大位移应变量程的需求。为了达到要求的位移量程，单层压电驱动器必须施加一个非常高的驱动电压才可以满足条件，且单层压电驱动器的灵敏度比较差，性能也相对较低。
相比于单层压电驱动器，层叠式压电驱动器在结构上通过对压电陶瓷应变片进行机械上的串联和电路上的并联，能够大幅度降低驱动器的驱动电压，同时很大程度的提高了驱动器的灵敏度。因此，层叠式压电驱动器作为大位移、高灵敏度压电驱动器件被广泛使用。
相比于单层压电驱动器，层叠式压电驱动器在结构上通过对压电陶瓷应变片进行机械上的串联和电路上的并联，能够大幅度降低驱动器的驱动电压，同时很大程度的提高了驱动器的灵敏度。因此，层叠式压电驱动器作为大位移、高灵敏度压电驱动器件被广泛使用。
为了进一步提高驱动器的输出应变和灵敏度，采用新型高性能压电材料制作驱动器是最为有效的方法。由于Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)弛豫铁电单晶材料具有高压电性能、高应变、高机电耦合系数和储能密度,其压电系数d33高达2000-3000pC/N，比锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷高4-6倍，应变量(1-2％)比PZT陶瓷高一个数量级，是目前发现的无机非金属材料中性能最优异的压电材料，因此，应用该材料制作叠层压电驱动器可以大幅度提高驱动器的输出位移，通过减小晶片厚度还可以降低驱动电压，提高器件灵敏度。
与传统驱动器先形成旋转在经转换形成目标动力不同，压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应进行机械驱动或达到机械控制，实现电能与机械能的转换的一种新型驱动器。相比于电磁驱动器，压电驱动器具有以下优点：
1)亚纳米级的分辨率
2)输出力大
3)亚毫秒级的响应
4)极低而稳定的功耗，转换率高
5)没有磨损和衰退
6)结构紧凑，尺寸小
但是压电单晶驱动器的制备方法尚且处于实验室研究阶段，暂无成熟的制备工艺用于大规模批量生产，制备流程还停留在单片制备与堆叠的宽泛阶段。
发明内容
本发明提供的一种压电单晶层叠驱动器的制备方法，解决了现有技术中存在的上述不足。
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层叠驱动器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对单晶片依次进行三维定向、切割、减薄、清洗，得到多个单晶薄片；
步骤2，将得到的单晶薄片放置在溅射电极模具中进行溅射电极，得到单晶薄片电极；
步骤3，将得到的单晶薄片电极放置在极化装置中进行电极极化，得到极化后的单晶薄片电极；
步骤4，利用堆叠模具对极化后的单晶薄片电极进行堆叠，得到压电堆；
步骤5，在得到的压电堆的侧面溅射电极，得到层叠驱动器。
优选地，步骤1中，三维定向后的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，步骤2中，所述溅射电极模具包括底盘、单晶卡槽和掩膜板，其中，底盘和掩膜板活动连接；所述单晶卡槽设置有多个，呈阵列式结构布置在底盘和掩膜板形成的空腔内；每个单晶卡槽上放置有一个单晶薄片；
所述掩膜板上开设有多个电极图案，多个电极图案呈矩阵式结构布置，且多个电极图案与多个单晶卡槽的位置一一对应。
优选地，步骤3中，所述极化装置包括极化底座、接地极金属底盘、待极化单晶卡槽板和小柱子卡槽板，其中，所述极化底座、接地极金属底盘、待极化单晶卡槽板和小柱子卡槽板自下至上依次布置；所述接地极金属底盘连接电源负极；
所述待极化单晶卡槽板上开设有多个用于放置待极化的单晶薄片电极的卡孔；
所述小柱子卡槽板上开设有多个用于安装小柱子的安装孔；
所述待极化单晶卡槽板的卡孔位置与安装孔的位置一一对应；
所述多个小柱子之间串联连接，且与电源正极连接。
优选地，步骤4中，所述堆叠模具包括固定卡槽、固定底座、施压块和端盖，其中，所述固定底座放置在固定卡槽内，所述极化后的单晶薄片电极放置在固定底座上；
所述施压块用于向粘接好的极化后的单晶薄片电极施加压力，将多余的环氧树脂排出；
所述端盖套装在施压块。
优选地，所述固定卡槽为长方体结构，所述长方体结构上的开设有十字卡槽；
所述固定底座为十字形结构；该十字形结构的固定底座卡装在固定卡槽上的十字卡槽内。
优选地，所述施压块为T型结构；所述端盖上开设有配合孔，所述配合孔套装在T型结构的大端。
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层叠驱动器的制备方法，分别利用溅射电极模具、极化装置、以及堆叠模具对单晶薄片进行溅射电极、电极极化、以及堆叠，最终得到层叠驱动器；本发明解决了现有的层叠驱动器只能单片制备，不能批量生产的缺陷。
进一步的，用于放置单晶片的单晶卡槽呈阵列式结构布置在底盘和掩膜板形成的空腔内，同时通过掩膜板实现对非溅射部分的遮挡，使得在大批量电极溅射时，同样能够保证每个单晶片的溅射质量。
附图说明
图1是单晶的三维方向示意图；
图2是底盘结构示意图；
图3是晶片卡槽结构示意图；
图4是掩膜板结构示意图；
图5是极化底座结构示意图；
图6是接地极金属底盘结构示意图；
图7是待极化单晶卡槽板结构示意图；
图8是小柱子卡槽板结构示意图；
图9是固定卡槽结构示意图；
图10是堆叠模具结构示意图；
图11是层叠驱动器结构示意图；
其中，1、底盘2、单晶卡槽3、掩膜板4、极化底座5、接地极金属底盘6、待极化单晶卡槽板7、小柱子卡槽板8、固定卡槽9、固定底座10、施压块11、端盖。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的一种压电单晶层叠驱动器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，请参阅图1所示，单晶的选型方式
利用Bridgman方法生长PIN-PMN-PT弛豫铁电单晶，利用“旋转XRD”方法对单晶进行三维定向，单晶的厚度方向为[011]方向，长度方向为[100]方向，宽度方向选取[0-11]方向；
步骤2，使用单线切割机或划片机将定好向的单晶切割为目标尺寸的单晶薄片(单晶薄片尺寸为10mm*3mm，厚度0.2-0.22mm)，为了在保持电场强度的情况下降低电压，需要将单晶片减薄到目标尺寸0.2mm进行叠堆。
层叠压电器件需要数十层单晶片，因此减薄的单晶片质量、减薄效率、单晶薄片平整度与成片率就变得十分关键。
目前常见的减薄方案有机械减薄、离子刻蚀和湿法腐蚀等。本实验过程中选用机械减薄的方法。使用苏州赫瑞X61D6S型研磨机对晶片进行研磨减薄，利用海克斯康globleSC575型三坐标测量仪测定晶片的平行度。
减薄流程如下：
(1)对切割机切出的样品使用电感测微仪进行厚度测量，挑选厚度相近的片子进行同批次减薄；
(2)将单晶片放入定制好的尺寸的游星轮中，每次在研磨盘上放置5片游星轮，设置参数正压0.5MPa，反压0.1MPa，转速4～6rpm；
(3)调配氧化铝研磨料与水的比例(约为1：5)放入滴料筒中；
(4)设置时间，一般开始设30s或1min，取出单晶片后测量厚度，然后再根据该参数计算还需多长时间可以减薄到所需厚度；
(5)取下减薄好的单晶片，测量每片单晶的厚度，每片单晶需测正反两面4个顶角和中心点各5个点，选出厚度200±2μm、各个点误差小于10μm的单晶片。进行单晶片的筛选
步骤3，单晶片的清洁主要由合肥科晶生产的PDC-39G型等离子清洗机进行。等离子清洗机主要用于清洗警惕上的纳米级有机污染物。在高频档位的最大去除污染物的速度为20nm/min。对单晶片在加热台加热下用纸进行初步的除蜡后，将单晶片放入等离子清洗机腔体内进行等离子清洗，保证单晶片表面的清洁以便后续溅射电极的质量。
步骤4，电极制备：压电层叠驱动器采用器件力学串联、电学并联的结构，此结构可以在保证输出位移的前提下有效地降低输入电压。
为得到此结构，要将单晶片进行堆叠达到力学串联，同时电极的联通选用叉指型电极以达到电学上的并联，使每片单晶片在同一电场下进行应变。叉指型电极需要在单晶片上溅射电极时溅射特定的图形。
如图2至图4所示，用于溅射电极的溅射电极模具包括底盘1、单晶卡槽2和掩膜板3，其中，底盘1和掩膜板3活动连接；所述单晶卡槽2设置有多个，呈阵列式结构布置在底盘1和掩膜板3形成的空腔内；每个单晶卡槽2上放置有一个单晶薄片；
所述掩膜板3上开设有多个电极图案，多个电极图案呈矩阵式结构布置，且多个电极图案与多个单晶卡槽的位置一一对应。
所述单晶卡槽2的深度应与单晶片厚度相同，用于固定单晶薄片。
将所有模具超声清洗干净后再进行操作，首先单晶卡槽放置在底盘上，将筛选好的单晶薄片一一放进卡槽中，放好后将掩模版对应盖在上面，用M3螺丝固定好底盘、卡槽和掩模板(外圆周处8个孔、内部4个孔、中心1个孔)后放入磁控溅射设备中开始镀电极；一面溅射结束后翻面，重新盖上掩模板溅射，两面全部溅射结束后取出，用砂纸轻微打磨掉晶片四周多余电极。
电极使用磁控溅射，先镀铬再镀银，铬电极厚度约30nm，银电极厚度约500nm，采用叉指结构，边角部位留出0.1*0.2mm的宽度。
步骤5，单晶片极化(通常采用室温极化和高温极化两种)
(1)室温极化：将晶体样品置于硅油中，通过直流电压源对晶体进行极化。极化条件：极化温度在室温条件下，极化电场E＝10kV/cm，极化时间2min；
(2)高温极化：将单晶样品放在自行设计的极化装置(如图4所示)里，将装置放在烘箱内加热(样片极化时是置于空气中的)，将直流电压源的正负极与极化装置的正负极连接后对单晶片进行极化。极化条件：极化温度为80℃，极化电场E＝8kV/cm，极化时间5min；
注：极化过程中需标记单晶薄片的正负极。
如图5至图8所示，所述极化装置包括极化底座4、接地极金属底盘5、待极化单晶卡槽板6和小柱子卡槽板7，其中，所述极化底座4、接地极金属底盘5、待极化单晶卡槽板6和小柱子卡槽板7自下至上依次布置；所述接地极金属底盘5连接电源负极；
所述待极化单晶卡槽板6上开设有多个用于放置待极化的单晶薄片电极的卡孔；
所述小柱子卡槽板7上开设有多个用于安装小柱子的安装孔；
所述待极化单晶卡槽板6的卡孔位置与安装孔的位置一一对应；
所述多个小柱子之间串联连接，且与电源正极连接。
单晶的电极接触地板，连接电源负极。待极化单晶卡槽板6的深度应与单晶薄片厚度一致，约0.25mm，可固定单晶薄片，避免极化过程中出现晶片偏移
如图，各层四个顶角处均有一直径12mm的圆孔，用直径12mm，高20mm左右的4个小圆柱卡在孔槽中，固定每一层的位置，保证各层一一对应。
将经由以上步骤得到的单晶薄片进行筛选，要求厚度200±2μm，压电系数d31在1600以上。
层叠压电单晶驱动器制备：
将筛选出的单晶片进行堆叠。将标定好正负极的单晶片通过极性相对的方式进行叠堆，如图11所示，制备出外观尺寸为5mm×5mm×10mm的单晶压电层叠驱动器。单晶片的层叠质量是影响器件性能的重要一环。层叠要使粘结层尽量的薄，各层单晶片整齐排列，保证力学串联、电学并联的结构。
由于测试过程中单晶薄片表面会受到一些污染，所以在进行堆叠之前首先需要对单晶片进行清洁。清洁不干净将影响粘合的质量。将清洁好的单晶片用调好的环氧树脂按照叉指型电极结构进行层叠。所使用的环氧树脂是EpoHeatTM CLR(Epoxy Resin：EpoxyHardener＝0.49:0.1)，环氧树脂主要功能是将单晶片粘合成为一个整体，选用具有一定的粘结强度和绝缘性的环氧树脂。按照设计的电极结构及极化方向层叠好单晶片后，在保证各层单晶片对齐的情况下对叠堆施加一定压力以排除多余的环氧树脂，尽量使粘结层薄，固定好叠堆后放置叠堆进行固化，室温下固化2小时。若需要叠的层数很多，由于叉指型电极结构的特点，可以将单晶片分2批进行层叠，再将各叠堆进行整合。若叠层不理想或出现问题，可以用N,N-二甲基乙酰胺浸泡再重新叠层。
针对本发明，设计了堆叠专用模具，该模具可直接3D打印，如图9、10所示，所述堆叠模具包括固定卡槽8、固定底座9、施压块10和端盖11，其中，所述固定底座9放置在固定卡槽8内，所述极化后的单晶薄片电极放置在固定底座9上；
所述施压块10用于向粘接好的极化后的单晶薄片电极施加压力，将多余的环氧树脂排出；
所述端盖11套装在施压块10。
所述固定卡槽8为长方体结构，所述长方体结构上的开设有十字卡槽；
所述固定底座9为十字形结构；该十字形结构的固定底座9卡装在固定卡槽上的十字卡槽内。
所述施压块10为T型结构；所述端盖11上开设有配合孔，所述配合孔套装在T型结构的大端。
首先将脱模剂均匀涂抹在固定卡槽8内部和底座上，将固定底座9卡进固定卡槽中，依次将标定好正负极的单晶片通过极性相对的方式放置在底座上，各单晶薄片之间通过调配好的环氧树脂粘接，每放置一片，需用施压块10施加一定压力将多余环氧树脂排出，使粘接层尽量薄。待全部单晶薄片放置完成后，盖上端盖11，室温固化24小时。待固化完成后取出。
叠好层后，用砂纸将叠堆的侧面打磨平整，将要上电极的两侧溢出的环氧树脂打磨掉，露出每一层的端面，以便保证每层的联通性。注意不要打磨过度以防破坏电极结构。随后对叠堆进行清洁处理。对叠堆无需镀电极的面进行掩盖处理，使用离子溅射仪在叠堆的侧面溅射电极，完成叉指电极结构。
由于叠堆的厚度较大，可以在叠堆的两个侧面电极引出正负两根导线，以便进行后续的测量。为防止电击穿，在叠堆无电极的侧面涂上绝缘漆进行电绝缘。最后在叠堆外层涂上封装材料，器件制备完成。

Claims (7)

1.一种压电单晶层叠驱动器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对单晶片依次进行三维定向、切割、减薄、清洗，得到多个单晶薄片；
步骤2，将得到的单晶薄片放置在溅射电极模具中进行溅射电极，得到单晶薄片电极；
步骤3，将得到的单晶薄片电极放置在极化装置中进行电极极化，得到极化后的单晶薄片电极；
步骤4，利用堆叠模具对极化后的单晶薄片电极进行堆叠，得到压电堆；
步骤5，在得到的压电堆的侧面溅射电极，得到层叠驱动器。
2.根据权利要求1所述的一种压电单晶层叠驱动器的制备方法，其特征在于，步骤1中，三维定向后的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。
3.根据权利要求1所述的一种压电单晶层叠驱动器的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述溅射电极模具包括底盘(1)、单晶卡槽(2)和掩膜板(3)，其中，底盘(1)和掩膜板(3)活动连接；所述单晶卡槽(2)设置有多个，呈阵列式结构布置在底盘(1)和掩膜板(3)形成的空腔内；每个单晶卡槽(2)上放置有一个单晶薄片；
所述掩膜板(3)上开设有多个电极图案，多个电极图案呈矩阵式结构布置，且多个电极图案与多个单晶卡槽的位置一一对应。
4.根据权利要求1所述的一种压电单晶层叠驱动器的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述极化装置包括极化底座(4)、接地极金属底盘(5)、待极化单晶卡槽板(6)和小柱子卡槽板(7)，其中，所述极化底座(4)、接地极金属底盘(5)、待极化单晶卡槽板(6)和小柱子卡槽板(7)自下至上依次布置；所述接地极金属底盘(5)连接电源负极；
所述待极化单晶卡槽板(6)上开设有多个用于放置待极化的单晶薄片电极的卡孔；
所述小柱子卡槽板(7)上开设有多个用于安装小柱子的安装孔；
所述待极化单晶卡槽板(6)的卡孔位置与安装孔的位置一一对应；
所述多个小柱子之间串联连接，且与电源正极连接。
5.根据权利要求1所述的一种压电单晶层叠驱动器的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述堆叠模具包括固定卡槽(8)、固定底座(9)、施压块(10)和端盖(11)，其中，所述固定底座(9)放置在固定卡槽(8)内，所述极化后的单晶薄片电极放置在固定底座(9)上；
所述施压块(10)用于向粘接好的极化后的单晶薄片电极施加压力，将多余的环氧树脂排出；
所述端盖(11)套装在施压块(10)。
6.根据权利要求5所述的一种压电单晶层叠驱动器的制备方法，其特征在于，所述固定卡槽(8)为长方体结构，所述长方体结构上的开设有十字卡槽；
所述固定底座(9)为十字形结构；该十字形结构的固定底座(9)卡装在固定卡槽上的十字卡槽内。
7.根据权利要求5所述的一种压电单晶层叠驱动器的制备方法，其特征在于，所述施压块(10)为T型结构；所述端盖(11)上开设有配合孔，所述配合孔套装在T型结构的大端。
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