CN2335332Y - 横向伸缩多层独石式压电微位移器 - Google Patents

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陈大任
李国荣
殷庆瑞
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Abstract

本实用新型涉及一种提供横向伸缩位移多层独石式压电陶瓷微位移器的结构,属于压电陶瓷微位移器的领域。它是在常规的纵向伸缩位移多层独石式压电陶瓷微位移器结构和制备的基础上,通过制备上、下表面电极,克服原表面非活性层对横向伸缩位移的阻止作用;以及配置绝缘层等特殊工艺而发展成的新型器件。本器件特点是体积小、可有效地降低工作电压、特别是可有效地利用增加器件横向长度来增加位移量,适合于制成细棒状的多层独石式压电陶瓷微位移器。可满足点开关、微型机械、计算机硬盘磁头驱动等特种应用。

Description

横向伸缩多层独石式压电微位移器
本实用新型涉及一种可提供横向伸缩的多层独石式压电陶瓷微位移器的结构，具体地说它是通过电场产生和控制精密位移或运动的压电陶瓷固态器件，属于压电陶瓷微位移器领域。
压电陶瓷微位移器是压电陶瓷应用的一个重要分支，在微米-纳米驱动和控制技术中起着重要的作用，它主要应用在精密机械、微电子技术、精密光学、生物工程等方面。
多层独石式(陶瓷片和内电极共烧成块的结构)是压电陶瓷微位移器的重要发展趋势和目前应用的重要器件形式，它具有工作电压低、体积小、结构简单、功耗低、可靠性好等优点。根据现有众多文献资料，例如：(1)S.Takahashi,Ferroe1ectrics,1989,Vol.91,pp.293-302；(2)刘一声，压电与声光，1994,Vol.16,pp.19-26，目前只是利用压电陶瓷片上电场方向和位移一致的纵向伸缩模的位移，无法利用电场方向和位移方向垂直的横向伸缩模的位移(见图1)，如图1所示，该器件结构主要由压电陶瓷膜片(1)、内电极(2)、端电极(3)构成，其中11、13分别为该器件上下表面非压电活性层，这类结构阻止了器件整体的横向伸缩位移。如何利用与电场方向垂直方向的横向伸缩位移，这是扩大多层独石式压电陶瓷微位移器应用的重要方面，也是制备新型细长棒形、驱动截面尺寸极小器件的要求。长期以来人们一直在寻求对于多层独石式结构压电微位移器，如何利用压电体d31压电系数来实现的横向伸缩位移亦能象利用d33压电系数来实现的纵向位移一样被使用。
本实用新型的目的在于提供一种可利用横向伸缩位移的多层独石式压电陶瓷微位移器的结构，适合于制备细棒状的可利用横向(沿细棒的长度方向)位移的微位移器。本实用新型的结构形式表示于图2，该器件结构主要由压电陶瓷膜片(11、12、13)、内电极(21、22)、端电极(31、32)、表面电极(41、42)、表面绝缘层(61、62)、端电极陶瓷绝缘片(71、72)和电极引线(51、52)组成，其中41、42分别为器件上下表面电极，本结构使得图1中上下表面的压电陶瓷非压电活性层11、13激活为压电活性层，不限制器件整体的横向伸缩位移，从而获得了可提供横向伸缩位移的多层独石式压电陶瓷微位移器。
本实用新型的实施过程和方法如下：
以未被制过端电极的多层独石式压电陶瓷微位移器为制备基础(图1)，在其上下表面与左右端面一起同时被上银(Ag)浆并烧制成银(Ag)电极，具体电极结构形式是：41表面电极与31端电极连成一体，42表面电极与32端电极连成一体。表面电极的面积、形状与内电极相同。在41,42表面分别焊上电极引线51,52。在实施以上工艺过程后进行绝缘处理：在41和42表面涂上高绝缘保护层61,62；在端电极上粘贴上绝缘陶瓷片71,72，表面覆盖层以覆盖表面电极为原则；绝缘陶瓷片的面积与端头面积基本一致，具体可根据实际应用要求决定。最终对器件(包括内部压电陶瓷层和两表面压电陶瓷层)，进行电场极化处理，使表面层与内部压电陶瓷层一起成为压电活性层，不限制内部压电陶瓷层的横向伸缩位移而参与横向伸缩位移，从而获得了可提供横向伸缩位移的多层独石式压电陶瓷微位移器。
本实用新型的特点是：(1)通过表面电极的设置，使原多层独石式压电陶瓷微位移器表面的非活性层变成压电活性层，从阻止器件横向伸缩位移成为参与横向伸缩位移，从而成为可提供平行长度方向的横向伸缩位移的多层独石式压电陶瓷微位移器新的结构形式；(2)利用多层独石式的结构原理，减少压电陶瓷层厚，增加器件层数，可降低横向伸缩位移的多层独石式压电陶瓷微位移器的工作电压，增加器件的机械强度和器件的驱动能力。(3)根据横向模的逆压电效应方程S=d31E3或ΔL1=L1d31E3可知，横向位移量ΔL1正比于横向长度L1，式中，S1为横向形变，d31为横向压电应变系数，E3为所加纵向电场。因此，利用增加器件长度L1可增加器件总横向位移量。根据以上特点，本实用新型适用于制备一维方向(位移方向L)较长的、驱动截面尺寸极小的细棒状器件，以满足点开关、微型机械、计算机硬盘磁头驱动等特种用途应用。
下面通过具体实施例进一步阐明本实用新型的结构特征和性能优点。实施例一：
以分子式为[Pb(Zn1/3Nb2/3)0.25-0.30Zr0.35-0.40Ti0.30-0.35O3]铌锌、锆钛酸铅软性压电陶瓷材料粉体为基础，先通过流延、冲片、内电极印刷、叠片、排粘、烧成等常规工艺制得如图1的多层独石式压电陶瓷微位移器基体；接着在此基体被上表面电极41、42和端电极31、32，并分别将41、42与31、32连接、在41,42表面分别焊上电极引线51,52，在41和42表面涂上高绝缘保护层61,62；在端电极上粘贴上绝缘陶瓷片71,72，最后对器件(包括内部压电陶瓷层和两表面压电陶瓷层)，进行电场极化处理，经过以上表面电极和端电极绝缘处理后制得了本实用新型所提供的可利用横向伸缩位移的多层独石式压电微位移器。
本实施例的器件制备工艺条件：
内电极材料：Pt-Au-Ag
叠层条件：    60～80℃,20～50MP,20～30min。
共烧温度：    1250～1300℃/1hr。
极化条件：    3000～4000V/m,120～150℃,15min。
本实施例所制得的器件尺寸参数：
每层陶瓷厚度：        105μm。
有效层数：            19
器件长度：            8.5mm。
截面积：              2.0×1.5mm
本实施例所制得的器件机电性能参数：
d31=368×10-12M/V(按器件ΔL1-V斜率计算)
d31(器件)/d31(体材料)=368/390=94％
C(1kHz)=3.6nF
tanδ(1kHz)=2.3％
本实施例所制得器件的电压-位移特性曲线示于图三实施例二：
以分子式为(Ba0.65Pb0.35)4-5(Na0.88Li0.12)1-2Nb10O30硬性钨青铜结构型压电陶瓷材料粉体为基础，先通过流延、冲片、内电极印刷、叠片、排粘、烧成等常规工艺制得如图1的多层独石式压电陶瓷微位移器基体；接着在此基体被上表面电极41、42和端电极31、32，并分别将41、42与32、31连接、在41,42表面分别焊上电极引线51,52，在41和42表面涂上高绝缘保护层61,62；在端电极上粘贴上绝缘陶瓷片71,72，最后对器件(包括内部压电陶瓷层和两表面压电陶瓷层)，进行电场极化处理，经过以上表面电极和端电极绝缘处理后制得了本实用新型所提供的可利用横向伸缩位移的多层独石式压电微位移器。
本实施例的器件制备工艺条件：
内电极材料：  Pd-Ag
叠层条件：    70～90℃,20～50MP,20～30min。
共烧温度：    1100～1160℃/1hr。
极化条件：    3000～4000V/m,150～180℃,15～30min。
本实施例所制得的器件尺寸参数：
每层陶瓷厚度：160μm。
有效层数：    18
器件长度：    12mm。
截面积：    2.0×3.0mm
本实施例所制得的器件机电性能参数：
d31=70×10-12M/V(按器件ΔL1-V斜率计算)
d31(器件)/d31(体材料)=70/75=93％
C(1kHz)=18nF
tanδ(1kHz)=0.43％
本实施例所制得器件的电压-位移特性曲线示于图四

Claims (2)

1．一种横向伸缩多层独石式压电陶瓷微位移器，包括制备上、下表面电极，其特征在于该微位移器由压电陶瓷膜片(11、12、13)、内电极(21、22)、端电极(31、32)、表面电极(41、42)、表面绝缘层(61、62)、端电极陶瓷绝缘片(71、72)和电极引线(51、52)组成，其中表面电极(41)和(42)分别和端电极(31)和(32)连成一体；再分别与两组内电极(21)，(22)构成两组电极，使表面压电陶瓷层可与内压电陶瓷层一起参与电场极化，成为压电活性层。
2．按权利要求1所述的微位移器，其特征是在表面电极(41),(42)上配置高绝缘强度涂层(61)、(62)；在端电极上粘贴陶瓷绝缘片(71)，(72)。
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