CN113783469B - 一种微型压电厚膜振子 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微型压电厚膜振子，包括压电陶瓷厚膜、下电极、弹性体、分区上电极。该振子的结构根据功能可分为环形和直线形，通过给压电陶瓷施加交变电压激励出振子的驱动模态，使振子表面形成波形，实现动子不同的运动。压电陶瓷厚度介于薄膜和厚膜之间，兼具块材与薄膜的优点，驱动力大、驱动电压低。本发明通过电流体喷印技术直接将压电陶瓷厚膜喷印至下电极表面，通过共烧技术使弹性体、下电极和压电陶瓷厚膜形成无界面的整体，实现压电陶瓷厚膜和弹性体的一体化体系，显著提高了压电陶瓷和弹性体的结合强度，并提高了振子的驱动性能和长期可靠性，实现了微型化、大驱动力的压电振子制备，能满足狭小空间驱动要求。
Description
技术领域
本发明属于微型压电驱动器领域，具体涉及一种微型压电厚膜振子。
背景技术
超声电机是将电能直接转换成机械能的新型电机，因为其控制性能好、定位精度高、响应快等优点，在半导体制造业、工业自动化和航空航天等领域有着广泛的应用前景。振子是超声电机的核心部件，其结构根据功能可分为环形和直线形，通过给压电陶瓷施加交变电压激励出振子的驱动模态，实现动子的运动，其中环形振子实现驱动旋转运动，直线形振子实现驱动直线运动。目前，压电陶瓷结构主要采用薄膜或者块材。其中，基于薄膜的微型压电振子存在功率密度小、驱动力小、输出扭矩不足的问题，而制备工艺涉及到化学气相沉积、溅射、刻蚀等复杂工艺，制造过程复杂。基于块材的压电振子，通常采用将压电块材粘接在弹性体上，由于粘接胶的蠕变和柔性连接，导致振动能量衰减、工作稳定性降低和灵敏性受限。此外，压电快材是硬脆材料，难以加工成微小尺寸，限制了压电振子的微型化。
论文“基于PZT薄膜的压电超声行波电机设计与研究”中采用MEMS微加工工艺制备压电陶瓷薄膜，该工艺制作过程复杂，并且压电薄膜驱动器的驱动力小、输出扭矩不足。
专利号为201020219439.0的专利公开了一种旋转行波超声电机。其中压电陶瓷通过粘贴方式固定在超声电机的定子(振子)下表面，该固定方式存在精度受限问题，并且随着超声电机尺寸的减小，工艺难度大大增加；而且胶层的存在使压电陶瓷的振动无法完全传递至弹性体上，降低了超声电机的驱动性能。此外，该专利中的超声电机只能实现旋转运动，无法直接实现直线运动。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种微型压电厚膜振子。该振子的结构根据功能可分为环形和直线形，通过给压电陶瓷施加交变电压激励出振子的驱动模态，使振子表面形成波形，实现动子不同的运动，其中环形振子实现驱动旋转运动，直线形振子实现驱动直线运动。该振子采用压电陶瓷厚膜进行驱动，压电陶瓷厚度介于薄膜和厚膜之间，兼具块材与薄膜的优点，驱动力大、驱动电压低。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种微型压电厚膜振子，包括弹性体1、下电极2、压电陶瓷厚膜3和分区上电极4。
所述弹性体1上部分布齿形结构，下部为平面结构；所述下电极2制备在弹性体1底部；所述压电陶瓷厚膜3通过电流体喷印技术直接将压电陶瓷厚膜3喷印至下电极2表面，通过高温共烧技术实现压电陶瓷3和弹性体1的一体化体系，使压电陶瓷厚膜3的振动无损地传递给弹性体1，进而在弹性体1的齿面激振出波形；所述分区上电极4制备在压电陶瓷厚膜3表面。
所述弹性体1采用环形或直线形结构，由环形的弹性体1组成的振子能实现驱动旋转运动，由直线形的弹性体1组成的振子能实现驱动直线运动。
所述压电陶瓷厚膜3的厚度为1μm至1mm。
所述压电陶瓷厚膜3通过以下方式制备：
选择用PZT悬浮液作为复合墨水，将PZT悬浮液装于喷针6中，喷针6尾部通过耐压管7与气泵8相连；将弹性体1固定于加热平台11上，工控机10控制加热平台11沿着预定的运动轨迹运动；直流电源9输出电压范围为2000～6000V，正极输出端与喷针6相连，负极输出端与加热平台11相连；气泵8将复合墨水推至喷针6的喷口处，在电场、重力场等作用下形成稳定的泰勒锥5，使PZT悬浮液喷印至弹性体1表面；每喷印一层需要在加热平台11上进行原位加热，去除内部应力，通过层层叠加实现压电陶瓷厚膜3的电流体喷印制造；电喷印完成后，按照性能需求将器件在520℃～1120℃的温度范围内进行高温共烧处理，使弹性体1、下电极2和压电陶瓷厚膜3的结构组织互相渗透结合，形成材料-结构无界面的整体，并使压电陶瓷厚膜3固化形成钙钛矿结构；最后在固化后的压电陶瓷厚膜3表面制备一层分区上电极4，经过极化后形成具有压电效应的压电陶瓷厚膜3。
本发明的有益效果为：本发明的微型压电厚膜振子的结构根据功能可分为环形和直线形，通过给压电陶瓷施加交变电压激励出振子的驱动模态，使振子表面形成波形，实现动子不同的运动，其中环形振子实现驱动旋转运动，直线形振子实现驱动直线运动。振子上部分布齿形结构，底部制备有压电陶瓷厚膜，压电陶瓷厚度介于薄膜和厚膜之间。而且压电陶瓷厚膜兼具块材与薄膜的优点，驱动力大、驱动电压低。本发明采用电流体喷印技术直接喷印制造微米级压电陶瓷厚膜，通过共烧技术使弹性体和压电陶瓷形成材料-结构的整体，将压电陶瓷和弹性体刚性连接，实现压电陶瓷-弹性体的一体化体系，该工艺实现了微小尺寸压电振子的制备，能满足狭小空间的驱动要求，避免了传统压电陶瓷制备的精度低、难度大、工艺复杂等问题，显著提高了压电陶瓷和弹性体的结合强度，并能够使压电陶瓷厚膜的振动无损地传递给弹性体，提高了振子的驱动性能和长期可靠性，实现了微型化、大驱动力的压电振子制备，能满足狭小空间驱动要求。
附图说明
图1为实施例中的微型压电厚膜直线振子三维示意图。
图2为实施例中的微型压电厚膜直线振子极化和驱动示意图。
图3为实施例中的微型压电厚膜直线振子电流体喷喷印设备图。
图4为实施例中的微型压电厚膜直线振子制备流程图。
图中：1弹性体；2下电极；3压电陶瓷厚膜；4分区上电极；5泰勒锥；6喷针；7耐压管；8气泵；9直流电源；10工控机；11加热平台。
具体实施方案
结合技术方案和附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本实施例的微型压电厚膜直线振子包括弹性体1、下电极2、压电陶瓷厚膜3和分区上电极4。其中弹性体1上部分布齿形结构，下部为平面；所述下电极2制备在弹性体1底部；所述压电陶瓷厚膜3通过电流体喷印技术直接将压电陶瓷厚膜3喷印至下电极2表面，通过共烧技术使弹性体1、下电极2和压电陶瓷厚膜3形成无界面的整体，实现压电陶瓷厚膜3和弹性体1的一体化体系；所述分区上电极4制备在压电陶瓷厚膜3表面。
如图2-4所示，实施例的具体实施步骤如下：
1.压电陶瓷厚膜和弹性体一体化制备
通过高精密机械加工，将金属母材加工成弹性体1，通过溅射技术在弹性体1底部制备一层下电极2。配制PZT悬浮液复合墨水，将PZT悬浮液装于高精密的喷针6中，喷针6尾部通过耐压管7与高精密的气泵8相连。将弹性体1固定于加热平台11上，工控机10控制加热平台11沿着预定的运动轨迹运动。直流电源9输出4000V电压，正极输出端与喷针6相连，负极输出端与加热平台11相连。气泵8将复合墨水推至喷针6的喷口处，在电场、重力场等作用下形成稳定的泰勒锥5，使PZT复合悬浮液喷印至弹性体1表面。每喷印一层需要在加热平台11上进行原位加热，去除内部应力，通过层层叠加实现压电陶瓷厚膜3的电流体喷印制造；电喷印完成后，将沉积后的压电陶瓷厚膜置于830℃条件下退火烧结，以形成具有压电效应的压电陶瓷厚膜3，并实现压电陶瓷厚膜3和弹性体1的一体化。
2.压电陶瓷厚膜的电极制备和极化
通过溅射技术，在压电陶瓷厚膜3表面制备一层图案化的分区电极4。分区电极4制备完成后，按照图2所示对压电陶瓷厚膜3进行极化，“/”区域极化方向为正，“\”区域极化方向为负。最后，对压电陶瓷厚膜3施加正弦交流激励电压，“+”区域施加﹢Esinωt交流激励电压，“-”区域施加-Esinωt交流激励电压，压电陶瓷厚膜3由于逆压电效应，在弹性体1上形成驻波，驻波A驱动动子沿直线正向移动，驻波B驱动动子沿直线负向移动。
Claims (3)
1.一种微型压电厚膜振子，其特征在于，所述微型压电厚膜振子包括弹性体（1）、下电极（2）、压电陶瓷厚膜（3）和分区上电极（4）；
所述弹性体（1）上部分布齿形结构，下部为平面结构；所述下电极（2）制备在弹性体（1）底部；所述压电陶瓷厚膜（3）通过电流体喷印技术直接将压电陶瓷厚膜（3）喷印至下电极（2）表面，通过高温共烧技术实现压电陶瓷厚膜（3）和弹性体（1）的一体化体系，使压电陶瓷厚膜（3）的振动无损地传递给弹性体（1），进而在弹性体（1）的齿面激振出波形；所述分区上电极（4）制备在压电陶瓷厚膜（3）表面；
所述压电陶瓷厚膜（3）通过以下方式制备：
选择用PZT悬浮液作为复合墨水，将PZT悬浮液装于喷针（6）中，喷针（6）尾部通过耐压管（7）与气泵（8）相连；将弹性体（1）固定于加热平台（11）上，工控机（10）控制加热平台（11）沿着预定的运动轨迹运动；直流电源（9）输出电压范围为2000~6000V，正极输出端与喷针（6）相连，负极输出端与加热平台（11）相连；气泵（8）将复合墨水推至高精密喷针（6）的喷口处，在电场、重力场作用下形成稳定的泰勒锥（5），使PZT悬浮液喷印至弹性体（1）表面；每喷印一层需要在加热平台（11）上进行原位加热，去除内部应力，通过层层叠加实现压电陶瓷厚膜（3）的电流体喷印制造；电喷印完成后，按照性能需求将器件在520℃~1120℃的温度范围内进行高温共烧处理，使弹性体（1）、下电极（2）和压电陶瓷厚膜（3）的结构组织互相渗透结合，形成材料-结构无界面的整体，并使压电陶瓷厚膜（3）固化形成钙钛矿结构；最后在固化后的压电陶瓷厚膜（3）表面制备一层分区上电极（4），经过极化后形成具有压电效应的压电陶瓷厚膜（3）。
2.根据权利要求1所述的微型压电厚膜振子，其特征在于，所述弹性体（1）采用环形或直线形结构，由环形的弹性体（1）组成的振子能实现驱动旋转运动，由直线形的弹性体（1）组成的振子能实现驱动直线运动。
3.根据权利要求1或2所述的微型压电厚膜振子，其特征在于，所述压电陶瓷厚膜（3）的厚度为1μm至1mm。
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