CN113394334A - 一种基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器及其制备方法 - Google Patents

一种基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器及其制备方法，属于集成电路装备制造领域。本发明解决了现有压电叠堆致动器极化方向与电场方向不能正交相容的问题。本发明通过设计图案电极及压电单元层的排列，构建正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器，该压电叠堆致动器因非180°电畴翻转产生的应变，是线性压电效应的～5倍，在20kV/cm驱动电场下，输出应变高于0.6％，远优于现有压电叠堆致动器。

Description

一种基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器及其制备方法，属于集成电路装备制造领域。
背景技术
压电致动器作为新型固态执行器，具有精度高、响应快、出力大、断电自锁等优点，已成为高精度驱动部件性能提升与换代的首选。压电叠堆致动器(Piezoelectric StackActuator，PSA)更是凭借其驱动电压低、结构尺寸小的独特优势，与尖端设备微型化和功能集成化的发展趋势十分契合，现有PSA主要由锆钛酸铅(PZT)系软性压电陶瓷制成，其基于线性逆压电效应的应变仅～0.1％，这已经限制了PSA的应用范围。因此，如何提高压电叠堆致动器的大应变是当前微纳机械领域的热门问题之一。
现有技术中提升PSA应变的方法主要是通过掺杂改性、离子取代和新组元设计等方式调控PZT系陶瓷的物相组成来提高其电致应变，进而增大PSA应变，但是其对PSA应变的提升幅度极为有限，最大应变依然小于0.15％。
并且从晶体结构与极化理论上讲，压电性能优异的陶瓷是经过人工极化处理(或称单畴化处理)的铁电陶瓷。铁电体为达到自由能最低的稳定状态，通常会根据晶体对称性形成极化方向各异的180°或非180°电畴结构，并能够在电场作用下实现转换。非180°畴因不等晶轴之间的翻转产生巨大应变，理论上比线性应变大1～2数量级。但是铁电体不同电畴间的转换从能量角度来说具有自发性，不存在电畴翻转的回复力，这使得非180°畴翻转通常是不可逆的。因此，压电材料的周期性正交极化是需要从力致非局域电畴翻转入手，利用极化方向不同的邻区之间界面应力使得非180°电畴实现翻转可逆。继而整体设计思路是将压电材料分区极化，在外电场作用下，极化与电场平行区域因线性压电效应产生应变，与电场垂直区域因非180°电畴翻转产生应变，且前者远小于后者。当外电场撤去后，二者界面处因应变失配产生失配应力，为非180°电畴的可逆翻转提供了回复力。如，Li等人(Li F,Wang Q,Miao H.J.Appl.Phys.,122(2017):074103)将PZT-5H陶瓷分为垂直和水平极化区后分别极化，利用非180°电畴翻转，在2kV/mm电场下可产生～0.6％的超大电致应变。虽然，周期正交极化可使非180°畴可逆翻转，产生巨大应变。然而，厚度模式的PSA极化方向和施加电场方向是共线的，与周期正交极化不相符。
综上可知，提供一种周期正交极化的新型超大应变PSA来实现自然压电叠堆陶瓷本身所不具备的压电模态和解决极化方向与电场方向不能正交相容的问题是十分必要的。
发明内容
本发明针对上述问题，通过设计内电极图案和压电层排布周期等新型结构，实现自然压电叠堆陶瓷本身所不具备的压电模态，解决极化方向与电场方向不能正交相容的问题，获得了周期正交极化的新型超大应变PSA。
本发明的技术方案：
一种基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器，该压电叠堆致动器包括若干基本驱动单元，每个基本驱动单元为端面印刷有外电极的层叠结构；所述的基本驱动单元的叠层结构由四种印刷有不同内电极图案的陶瓷薄膜片按照叉指电极的方式周期叠放而成，四种印刷有不同内电极图案的陶瓷薄膜片的代号分别为K、M、N和L，叠放顺序由下至上为L、N、M和K，所述的K的内电极图案与L的内电极图案互为镜像结构，所述的M的内电极图案与N的内电极图案互为镜像结构；
所述的K的内电极图案的设计为：首先将陶瓷薄膜片划分为A1和A2交替排布的四个矩形区域，A1和A2的矩形区域的宽度不同；每个所述的A1区域内和A2区域内均印刷一个内电极，相邻的A1区域内和A2区域内电极之间不连接，所述的A1区域内的内电极和A2区域内的电极均与外电极接触；
所述的M的内电极图案的设计为：首先将陶瓷薄膜片划分为A1和A2交替排布的四个矩形区域，A1和A2的矩形区域的宽度不同；每个所述的A1区域内印刷一个内电极，所述的A1区域内的内电极与外电极接触。
进一步限定，对上述压电叠堆致动器施加电场后，A1区域极化方向与电场方向相同，A2区域极化方向与电场方向垂直正交。
上述基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，利用流延成型技术制备陶瓷薄膜片；
步骤2，在步骤1获得的陶瓷薄膜片上丝网印刷银钯电极，获得四种印刷有不同内电极图案的陶瓷薄膜片K1、M1、N1和L1；
步骤3，将四种印刷有不同内电极图案的陶瓷薄膜片沿厚度方向按照叉指电极的方式周期层叠排列，叠放顺序由下而上为{L1/[N1/M1]j/K1}i，其中j＝1,2,3,4...；i根据致动器厚度需求设定，可选为正整数。如：当j＝1时，陶瓷薄膜片层叠排列构成L1/N1/M1/K1的周期单元；当j＝2时，陶瓷薄膜片层叠排列构成L1/N1/M1/N1/M1/K1的周期单元。
依次经热压成型、切割、排胶和冷等静压处理后烧结成P1型压电陶瓷；
步骤4，在步骤3获得P1型压电陶瓷的端面印刷外电极，沿厚度方向极化处理；
步骤5，打磨经过极化处理后的P1型压电陶瓷端面直到A1区域内电极裸露，获得P2型压电陶瓷；
步骤6，在步骤5获得P2型压电陶瓷的端面印刷外电极，使P2型压电陶瓷A1区的内电极与外电极接触，再次沿厚度方向极化处理；
步骤7，打磨经过极化处理后的P2型压电陶瓷端面直到A2区域内电极裸露，使得最终陶瓷薄膜片K1上的电极图案与K相同，陶瓷薄膜片M1上的电极图案与M相同，陶瓷薄膜片N1上的电极图案与N相同，陶瓷薄膜片L1上的电极图案与L相同，获得P3型压电陶瓷；
步骤8，在步骤7获得P3型压电陶瓷的端面印刷外电极，使P3型压电陶瓷A1区的内电极和A2区的内电极均与外电极接触，获得基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器。
进一步限定，步骤1的操作过程为：
(1)制备流延浆料：均匀混合压电陶瓷粉体、烧结助剂、溶剂、分散剂、粘合剂和塑化剂放入球磨罐中，以二氧化锆球为磨球，行星球磨48～72h，获得流延浆料；
(2)将流延浆料放入真空干燥器中，一边采用磁力搅拌器搅拌，一边抽真空去除浆料中的气泡，时间约为2～8h；
(3)制备陶瓷膜片：利用流延成型技术获得陶瓷薄膜片(厚度为40～100μm)，并采用激光切割机切成所需尺寸。
更进一步限定，烧结助剂为MnO、CuO、ZnO等。
更进一步限定，溶剂为二甲苯/乙醇混合溶液。
更进一步限定，分散剂为熔鲱鱼油。
更进一步限定，粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛。
更进一步限定，塑化剂为邻苯二甲酸酯、聚乙烯乙二醇。
更进一步限定，步骤1制备的压电陶瓷薄膜片的材料体系可以是PZT基二元系陶瓷、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PYN-PMN-PT)等三元系铅基压电陶瓷以及钛酸钡(BaTiO3)基、铌酸钾钠(KNN)基等其它无铅压电陶瓷。
进一步限定，步骤3将将四种印刷有不同内电极图案的陶瓷薄膜片沿厚度方向按照叉指电极的方式周期层叠排列过程中，带电极的膜片之间可以间隔几层无电极的空白膜片。
更进一步限定，步骤3中将陶瓷膜片叠层放入定制磨具中热压成型后，再利用热水匀压压实成型的陶瓷膜片热压成型，其中压力为10～30MPa，时间为20～120min，温度为70～85℃。
更进一步限定，步骤3中排胶处理条件为：将陶瓷坯体放入马弗炉中，在550～650℃下排胶，其中升/降温速率小于1℃/min。
更进一步限定，步骤3中冷等静压处理条件为：压力为200MPa，时间为3～5min。
更进一步限定，步骤3中烧结处理条件为：升降温速率为4℃/min，在900～1200℃烧结4～8h。
更进一步限定，步骤4中在P1型压电陶瓷的端面印刷外电极的过程为：利用丝网印刷将银浆均匀涂覆在P1型压电陶瓷表面，置于马弗炉中在550℃烧结1h。
更进一步限定，步骤4中极化处理条件是：温度为1/2居里温度，极化场强为2～5倍矫顽场，极化时间为15～30min。
更进一步限定，步骤6中在P2型压电陶瓷的端面印刷外电极的过程为：利用丝网印刷将银浆均匀涂覆在P2型压电陶瓷表面，置于马弗炉中在550℃烧结1h。
更进一步限定，步骤6极化处理条件是：温度为1/2居里温度，极化场强为2～5倍矫顽场，极化时间为15～30min。
本发明具有以下有益效果：本申请通过设计图案电极及压电单元层的排列，构建正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器，该压电叠堆致动器因非180°电畴翻转产生的应变，是线性压电效应的～5倍，在20kV/cm驱动电场下，输出应变高于0.6％，远优于现有压电叠堆致动器。
附图说明
图1为本发明制备的压电叠堆致动器中K、L、M和N的电极图案；
图2为本发明制备的压电叠堆致动器的工艺流程图；
图3为四种不同内电极图案的陶瓷薄膜片K1、陶瓷薄膜片M1、陶瓷薄膜片N1和陶瓷薄膜片L1的电极图案示意图；
图4为对陶瓷薄膜片K1、陶瓷薄膜片M1、陶瓷薄膜片N1和陶瓷薄膜片L1进行分区设计示意图；
图5为将图4进行分区设计后的陶瓷薄膜片K1、陶瓷薄膜片M1、陶瓷薄膜片N1和陶瓷薄膜片L1叠放获得的层叠结构示意图；
图6为本发明实施例1中步骤(4)～步骤(8)的操作过程示意图；
图7为本发明实施例1获得的压电叠堆致动器的结构示意图；
图8为通过有限元法计算可得压电叠堆致动器的应力分布示意图；
图9为压电叠堆致动器的形变示意图；
图10为压电叠堆致动器yz平面的形变示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
如图2所示，本实施例制备新型压电叠堆制动器的具体步骤如下：
(1)制备陶瓷薄膜片：
按照化学计量比称量0.28Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-0.40Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.32PbTiO3以及0.5mol％Li2CO3的烧结助剂作为压电陶瓷基体粉，将陶瓷基体粉、溶剂(质量比为1:1的二甲苯/乙醇混合溶液)、分散剂(熔鲱鱼油)、粘合剂(聚乙烯醇缩丁醛)和塑化剂(邻苯二甲酸酯、聚乙烯乙二醇)按照体积比为24：64：2：5：5混合后，放入球磨罐中，以二氧化锆球为磨球，行星球磨72h，制备流延浆料；
然后，将流延浆料放入真空干燥器中，一边采用磁力搅拌器搅拌，一边抽真空去除浆料中的气泡；
最后，利用流延成型技术获得陶瓷薄膜片(厚度为50μm)，并采用激光切割机切成所需尺寸。
(2)在陶瓷薄膜片上丝网印刷银钯电极：
如图4所示，首先将陶瓷薄膜片划分为A1和A2交替排布的四个矩形区域，A1和A2的矩形区域的宽度不同，然后在A1和A2的基础上划分出电极印刷区和裁剪区A3；并采用丝网印刷技术在电极区印刷银钯电极，获得的四种不同内电极图案的陶瓷薄膜片，分别为陶瓷薄膜片K1、陶瓷薄膜片M1、陶瓷薄膜片N1和陶瓷薄膜片L1，电极图案如图3所示。
(3)制备P1型压电陶瓷：
首先，将四种印刷有不同内电极图案的陶瓷薄膜片沿厚度方向按照叉指电极的方式周期层叠排列，如图5所示，叠放顺序由下至上为L1、N1、M1和K1(带电极的膜片之间可以间隔几层无电极的空白膜片)；
然后，放入磨具中进行热压成形处理获得热水匀压压实成型的陶瓷膜片，其中热压成形压力为20MPa，时间为20min，温度为80℃；再利用热水匀压压实成型的陶瓷膜片，其中压力为20MPa，时间为20min，温度为75℃；
再然后，利用切割机将叠压成型的陶瓷膜片切割成所需尺寸的陶瓷坯体，并将陶瓷坯体放入马弗炉中，在550～650℃下排胶，其中升/降温速率小于1℃/min；
再然后，进行冷等静压处理提高陶瓷坯体的致密度，其中其中压力为200MPa，时间为3～5min；
最后，将陶瓷坯体放入箱式炉中烧结，升降温速率为4℃/min，在1100℃烧结4h，获得P1型压电陶瓷。
(4)极化处理P1型压电陶瓷：
利用丝网印刷技术将银浆均匀涂覆在(3)获得P1型压电陶瓷的端面，置于马弗炉中在550℃烧结1h，在P1型压电陶瓷的端面镀上银电极作为外电极，如图6中(a)图所示，然后沿z方向进行极化处理，极化处理维度为1/2居里温度，极化场强为4倍矫顽场，极化时间为20min。
(5)制备P2型压电陶瓷：
使用5～40μm氧化铝研磨粉打磨掉经过极化处理后的P1型压电陶瓷端面的部分A3区，使A1区域内电极裸露，获得P2型压电陶瓷。
(6)极化处理P2型压电陶瓷：
利用丝网印刷技术将银浆均匀涂覆在(5)获得P2型压电陶瓷的端面，置于马弗炉中在550℃烧结1h，在P2型压电陶瓷的端面镀上银电极作为外电极，使P2型压电陶瓷A1区的内电极与外电极接触，如图6中(b)图所示，然后沿z方向进行极化处理，极化处理维度为1/2居里温度，极化场强为4倍矫顽场，极化时间为20min。此时A1、A2区的极化方向垂直正交，这是由于A1区内电极与外电极接触，压电层被重新极化，极化方向由原来的z方向转为x方向(图6b左视图)；A2区内电极不与外电极接触，压电层极化方向仍沿z方向(图6b右视图)。
(7)制备P3型压电陶瓷：
使用5～40μm氧化铝研磨粉打磨掉经过极化处理后的P2型压电陶瓷端面的剩余A3区，A2区域内电极裸露，使得最终陶瓷薄膜片K1上的电极图案与K相同，陶瓷薄膜片M1上的电极图案与M相同，陶瓷薄膜片N1上的电极图案与N相同，陶瓷薄膜片L1上的电极图案与L相同，K、L、M和N的电极图案如图1所示，获得P3型压电陶瓷，如图6中(c)图所示。
(8)制备基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器：
在步骤7获得P3型压电陶瓷的端面印刷外电极，使P3型压电陶瓷A1区的内电极和A2区的内电极均与外电极接触，如图6中(d)图所示，获得基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器。对该致动器施加电场后，A1区极化方向与电场方向相同，A2区极化方向与电场方向垂直正交，且A1区应变基于线性压电效应，A2区的应变基于非180°电畴的翻转，故A2区应变远大于A1区，二者界面处由于应变失配产生失配应力，使得A1区拉伸、A2区压缩，压电叠堆致动器应变大大增加。当电场撤去后，A2区畴变的电畴在失配应力的作用下发生回复翻转，使非180°电畴的翻转可逆，实现应变的可恢复。即本申请提供的致动器结构，可以通过通过增加叠层的数目，提高压电叠堆致动器的应变大小和均匀性。通过控制K、M、N、L图案电极的层数比例、A1区和A2区过渡区域尺寸比来调控邻区之间界面应力的大小，确保A2区在长时间频繁翻转过程中不发生退极化。需要注意的是图6仅为示意图，在实际制作的正交极化与周期结构设计的PSA，由多个图6所示的A1、A2区交替的周期单元组成。
图7为上述基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器的结构示意图，压电叠堆致动器的驱动单元由A1区和A2区组成，n个驱动单元沿y方向周期排列组成压电叠堆致动器；A1、A2区均为如图1所示的多层压电陶瓷结构，其中A1区内部压电薄层极化方向沿x方向正负交替极化，压电薄层在电路上为并联连接；A2区极化方向沿z方向。
图8为通过有限元法计算可得压电叠堆致动器的应力分布示意图。沿x方向对压电叠堆致动器施加100V电压后，A1区极化方向与施加电场方向平行或反平行，因线性压电效应产生应变；A2区极化方向与施加电场方向垂直正交，因非180°电畴翻转产生应变，A1区和A2区的应变量不同。有限元模拟结果证明，当外电场撤去后，二者界面处因应变失配产生失配应力，如图8所示。界面失配应力可为A2区非180°电畴的可逆翻转提供了回复力，从而实现非180°电畴的可逆翻转。
图9为该压电叠堆致动器的形变示意图。施加100V电压后，A2区的位移量远大于A1区。压电叠堆致动器yz平面的形变示意图，如图10所示。从A1区到A2区，位移量从7×10-5mm增大为27.5×10-5mm，增长～4倍。结合有限元模拟结果说明，正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器因非180°电畴翻转的存在，可显著增大压电叠堆致动器的位移量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器，其特征在于，该压电叠堆致动器包括若干基本驱动单元，每个基本驱动单元为端面印刷有外电极的层叠结构；所述的基本驱动单元的叠层结构由四种印刷有不同内电极图案的陶瓷薄膜片按照叉指电极的方式周期叠放而成，四种印刷有不同内电极图案的陶瓷薄膜片的代号分别为K、M、N和L，叠放顺序由下至上为L、N、M和K，所述的K的内电极图案与L的内电极图案互为镜像，所述的M的内电极图案与N的内电极图案互为镜像；
所述的K的内电极图案的设计为：首先将陶瓷薄膜片划分为A1和A2交替排布的四个矩形区域，A1和A2的矩形区域的宽度不同；每个所述的A1区域内和A2区域内均印刷一个内电极，相邻的A1区域内和A2区域内电极之间不连接，所述的A1区域内的内电极和A2区域内的电极均与外电极接触；
所述的M的内电极图案的设计为：首先将陶瓷薄膜片划分为A1和A2交替排布的四个矩形区域，A1和A2的矩形区域的宽度不同；每个所述的A1区域内印刷一个内电极，所述的A1区域内的内电极与外电极接触。
2.根据权利要求1所述的基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器，其特征在于，对所述的压电叠堆致动器施加电场后，A1区域极化方向与电场方向相同，A2区域极化方向与电场方向垂直正交。
3.一种权利要求1所述的基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，利用流延成型技术制备陶瓷薄膜片；
步骤2，在步骤1获得的陶瓷薄膜片上丝网印刷银钯电极，获得印刷有四种不同内电极图案的陶瓷薄膜片K1、陶瓷薄膜片M1、陶瓷薄膜片N1和陶瓷薄膜片L1；
步骤3，将四种印刷有不同内电极图案的陶瓷薄膜片沿厚度方向按照叉指电极的方式周期层叠排列，叠放顺序由下而上为{L1/[N1/M1]j/K1}i，其中j＝1,2,3,4...n；i根据致动器厚度需求设定，选为正整数，依次经热压成型、切割、排胶和冷等静压处理后烧结成P1型压电陶瓷；
步骤4，在步骤3获得P1型压电陶瓷的端面印刷外电极，沿厚度方向极化处理；
步骤5，打磨经过极化处理后的P1型压电陶瓷端面直到A1区域内电极裸露，获得P2型压电陶瓷；
步骤6，在步骤5获得P2型压电陶瓷的端面印刷外电极，使P2型压电陶瓷A1区的内电极与外电极接触，再次沿厚度方向极化处理；
步骤7，打磨经过极化处理后的P2型压电陶瓷端面直到A2区域内电极裸露，使得最终陶瓷薄膜片K1上的电极图案与K相同，陶瓷薄膜片M1上的电极图案与M相同，陶瓷薄膜片N1上的电极图案与N相同，陶瓷薄膜片L1上的电极图案与L相同，获得P3型压电陶瓷；
步骤8，在步骤7获得P3型压电陶瓷的端面印刷外电极，使P3型压电陶瓷A1区的内电极和A2区的内电极均与外电极接触，获得基于正交极化与周期结构设计的压电叠堆致动器。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中排胶处理条件为：温度为550～650℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中冷等静压处理条件为：压力为200MPa，时间为3～5min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中烧结处理条件为：升降温速率为4℃/min，在900～1200℃烧结4～8h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中极化处理条件为：极化温度为1/2居里温度，极化场强为2～5倍矫顽场，极化时间为15～30min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤6中极化处理条件为：极化温度为1/2居里温度，极化场强为2～5倍矫顽场，极化时间为15～30min。
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