專利名稱：一種全電極陶瓷驅(qū)動器的制備技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全電極陶瓷驅(qū)動器的制備技術(shù)，更確切地說涉及一種制備全電極電控微位移陶瓷驅(qū)動器的制備技術(shù)。屬于陶瓷驅(qū)動器領(lǐng)域。
電控微位移陶瓷驅(qū)動器是一種采用具有電致應(yīng)變效應(yīng)的特種功能陶瓷材料，經(jīng)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和精細的工藝制作而成的可隨外電場變化產(chǎn)生精密位移的電控微動器件。其位移量可根據(jù)實際需求設(shè)計，一般位移分辨率為納米級，響應(yīng)時間為微秒級，是當代高技術(shù)功能器件之一。這類電控微位移器的應(yīng)用甚廣，涉及光學(xué)，精密機械加工、微電子技術(shù)的機械系統(tǒng)、精密流量控制等技術(shù)領(lǐng)域。例如，利用這種電控微位移驅(qū)動器，可制作各種光學(xué)變形鏡、光學(xué)精密微動臺、光纖通訊中的光纖耦合對準熔接臺、光濾波、光調(diào)諧的法帕腔。在精密機械加工中作電控微進刀、精密加工定位及誤差補償?shù)取?br> 然而，作為電控微位移器用的壓電陶瓷或電致伸縮陶瓷的驅(qū)動電壓都比較高，通常為0.6～1.0kv/mm，實際應(yīng)用中使用者都不希望使用如此高的電壓，因此往往要求盡量減小工作層的厚度，使器件的工作電壓降低。其次，在微動工程技術(shù)的應(yīng)用中要求器件的位移量達數(shù)微米，數(shù)十微米甚至更大。
為了降低工作電壓并獲得大位移量以適應(yīng)實際應(yīng)用要求的目的，人們采用了薄陶瓷片做成的疊層式器件的設(shè)計，但在電極引線方面遇到了麻煩，為了實現(xiàn)疊層器件中每層陶瓷電極的引出，采用二種方式一種方式如

圖1所示，每個陶瓷片間插入帶耳朵的金屬片作電極引出線，50層陶瓷片就要插入50個金屬片。圖1中1是陶瓷片，2是金屬片，3是金屬片外露耳朵，4是電極引出線。金屬片的插入引進了非電致應(yīng)變材料，減少了器件的位移量；又由于金屬片的物理特性與陶瓷材料相差甚遠，破壞了器件的特性。
另一種方式是如圖2所示，將每陶瓷片的二面各留出無電極邊，然后層層疊起構(gòu)成所謂非全電極器件。如圖2-1所示。圖中1是陶瓷片(或陶瓷厚膜)，4是電極引出線，5是外電極，6是外露端電極；圖2-2是陶瓷片A、B二個面的電極涂復(fù)示意圖，5是電極，7為無電極邊。此類結(jié)構(gòu)因留有無電極邊從而出現(xiàn)非電致應(yīng)變區(qū)(或稱電致應(yīng)變死區(qū))。
圖3為非全電極結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器工作面位移分布，驅(qū)動器尺寸為5×33×33mm，工作電壓400V，圖中0代表驅(qū)動器工作面中心，縱座標S表示位移(單位為μm)，橫座標D單位為mm，表示驅(qū)動器工作面沿對角線方向上某點離中心距離。由圖可見，非全電極結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移極不均勻，存在很大內(nèi)應(yīng)力，器件容易碎裂，尤其在有負載力工作條件下情況更為嚴重。
本發(fā)明人還了解到日本NEC公司用復(fù)蓋玻璃粉作絕緣物的方法制備了壓電陶瓷微位移驅(qū)動器(Ferroelectrics，Vol，50，1983，p.181-190)。雖然獲得了比較低的工作電壓，但工藝繁雜，該工藝的缺點是(1)需復(fù)蓋玻璃粉；(2)需將玻璃粉燒結(jié)；(3)需將原非全電極部份切除掉，最后才形成全電極器件。此外，制備的微位移器件抗力負載穩(wěn)定性較差而且要求用鈀銀制作電極，成本高。
本發(fā)明的目的在于提供一種全電極層疊式電控微位移陶瓷驅(qū)動器的制備技術(shù)，利用本制備技術(shù)可獲得位移均勻、機械強度高、抗負載力強、工作電壓較低的新型電控位移器件。
本發(fā)明提供的制備技術(shù)包括二方面。一是電致伸縮陶瓷厚膜元件；二是將厚膜元件制成電控微位移驅(qū)動器，現(xiàn)詳述如下。
本發(fā)明選用的電致伸縮陶瓷厚膜元件是由鈮鎂酸鉛(簡稱PMN)為基本成份，采用Pb3O4、MgCO3、Nb2O5、TiO2等原料按照電子陶瓷一般制備工藝通過配料、混料、合成、粉碎、制成以PMN為基的電致伸縮陶瓷粉體，接著用軋膜機將粉體制成生坯膜帶，經(jīng)沖片、排塑、燒成、最后制成0.40mm厚的厚膜陶瓷元件。再經(jīng)印刷并燒滲銀電極后制成滿電極電致伸縮陶瓷厚膜元件，其介電與電致伸縮性能示于表1和圖4。圖4顯示PMN基電致伸縮陶瓷材料電致應(yīng)變(S)與電場(E)的關(guān)系。橫座標為電場E，單位為kv/mm，縱座標為縱向電致應(yīng)變S11(×10-3)。測試電場的變化頻率為0.07Hz，測試溫度為室溫，表1是不同溫度燒結(jié)的PMN基電致伸縮陶瓷元件的基本電性能(25℃)。
表1、PMN基電致伸縮陶瓷元件的電性能(25℃)<
電致應(yīng)變和機電滯后測試驅(qū)動電場為±1.0kv/mm，頻率為0.07Hz本發(fā)明提供的制備技術(shù)的另一方面是電控微位移器的制作，也是本發(fā)明的實質(zhì)所在。它包括下列過程(1)將帶有滿電極的電致伸縮陶瓷厚膜元件逐一印上市售3A型特種有機粘結(jié)膠；(2)將已印刷3A膠的元件逐一層層疊裝成所需高度，隨即用夾具將其夾緊、定位并清除四周多余的膠液后，置入電熱烘箱于70-80℃，固化12-16小時；(3)固化后將器件從夾具中取出，冷加工至需要尺寸，使每層元件的端電極完全暴露出來，如圖5所示，圖中1是陶瓷片，6是外露端電極；這是引電極前全電極疊層式電控位移器件；(4)用阻焊油墨均勻涂復(fù)于外露端電極6的4個側(cè)面，然后使阻焊油墨光固化；(5)光固化后，選擇該器件的兩個相對側(cè)面分別交替刻出端電極使其交替外露；(6)用導(dǎo)電膠將兩側(cè)面交替外露出來的端電極涂復(fù)并連接起來，然后置于電熱烘箱100℃，經(jīng)1-2小時使導(dǎo)電膠固化；(7)在經(jīng)固化的導(dǎo)電膠上焊接引線，再用市售3A膠將導(dǎo)電膠和引線焊點涂復(fù)并固化(固化條件同過程2所述)。
經(jīng)過上述7個過程，制成全電極疊層式陶瓷驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。圖中1是陶瓷片；6是外露端電極，它們位于兩個相對側(cè)面，且交替外露；8是阻焊油墨均勻涂復(fù)于外露端電極的4個側(cè)面；9是導(dǎo)電膠，涂復(fù)在兩個相對外露電極的側(cè)面，使每個側(cè)面外露電極相互連接起來，10為3A膠，涂復(fù)在導(dǎo)電膠和引線焊點起保護作用；4為電極引出線。
本發(fā)明人對按上述過程制造的全電極陶瓷驅(qū)動器進行了性能測定。
(1)在室溫下進行了位移(S)與工作電壓(V)的關(guān)系。如圖7所示，圖中橫座標為電壓(V)，縱座標為位移S(μm)，在室溫(20℃)條件下，電位從0400V的變化，頻率變化僅為0.07Hz。
(2)驅(qū)動器工作面位移分布均勻性測定。如圖8所示，其橫座標和縱座標與上述圖3非全電極相同，從圖8與圖3相比，可以清楚地說明全電極型工作面電致位移分布比非全電極均勻。
(3)抗負載力測定。如圖9所示，全電極電控微位移驅(qū)動器具有很強的抗負載能力和很高的機械強度。驅(qū)動器尺寸為29×33×33mm，工作電壓為400V，橫座標為負載力，單位為kg，縱座標為位移S，單位為μm。由圖可見在0-200kg范圍，驅(qū)動器電致位移稍有下降，而從200kg到1000kg范圍，位移非但不下降反而略有上升，這可能是由于各層元件間的粘結(jié)劑在大的機械力作用下反彈所致。
由上所述，用本發(fā)明人提供的制備技術(shù)制備的全電極電控陶瓷驅(qū)動器的優(yōu)點是(1)因不采用插入金屬片作電極引線，明顯提高了器件的位移/高度比，并使器件物理性能與電致應(yīng)變材料性能較為接近；(2)與非全電極型器件相比明顯優(yōu)點是電致位移均勻，抗負載力強，機械強度高；(3)工作電壓較低。
以下結(jié)合實施例，進一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進步，但決非限制本發(fā)明。
實施例1精密機械加工用陶瓷驅(qū)動器。用表1所示的1220℃燒結(jié)的鈮鎂酸基電致伸縮陶瓷厚膜元件，其尺寸為33×33×0.4mm，使用了195片該陶瓷元件，采用了本發(fā)明的制備全電極陶瓷驅(qū)動器技術(shù)，獲得了尺寸為30×30×80mm的全電極型、大位移量、抗負載力強并有較低驅(qū)動電壓的新型陶瓷驅(qū)動器，其中3A膠的固化溫度為75℃，固化時間為15小時，用導(dǎo)電膠將外露端電極涂復(fù)并連接后，100℃，1.5小時使導(dǎo)電膠固化。該驅(qū)動器的電容C為22.51μF，其在300V工作電壓下位移可達到57μF，位移S11與工作電壓的關(guān)系示于圖7。在1.2噸壓力下工作其位移僅下降7％，而且該下降僅呈現(xiàn)在0～200kg壓力范圍。本實施例提供的全電極陶瓷驅(qū)動器已在工作壓力為603kg的精密磨削機床中作微幅進給和加工誤差補償?shù)膽?yīng)用。
實施例2用表1所示的1180℃燒成的PMN基陶瓷厚膜，尺寸為9×9×0.4mm，以236片電致伸縮陶瓷元件組裝成了尺寸為9×9×120mm的全電極型陶瓷驅(qū)動器，其主要性能是電容C＝4.15μF，在不同工作電壓下工作時其位移量如下表所示<
其中3A膠的固化溫度為80℃，固化時間為12小時，導(dǎo)電膠固化溫度為100℃，固化時間為2小時，其余同實施例1。本實施例制作的陶瓷驅(qū)動器可用于控制飛機機翼舵面。
權(quán)利要求
1.一種全電極陶瓷驅(qū)動器的制備技術(shù)，包括滿電極的陶瓷厚膜元件制備，其特征在于(1)將滿電極的電致伸縮陶瓷厚膜元件(1)逐一印上市售3A型特種有機粘結(jié)膠；(2)將上述厚膜元件逐一層層疊裝成所需高度，隨即用夾具夾緊、定位后在70-80℃，12-16小時固化；(3)固化后將器件從夾具中取出，冷加工至需要尺寸，使每層元件的端電極完全暴露在外；(4)用阻焊油墨(8)均勻涂復(fù)外露端電極(6)的4個側(cè)面，然后使阻焊油墨光固化；(5)光固化后，選擇兩個相對側(cè)面分別交替刻出端電極(6)使其交替外露；(6)用導(dǎo)電膠將兩側(cè)面交替暴露出來的端電極(6)涂復(fù)并連接起來，然后于100℃，1-2小時使導(dǎo)電膠固化；(7)在經(jīng)固化的導(dǎo)電膠上焊接引線，再用市售3A膠將導(dǎo)電膠和引線焊點涂復(fù)并固化。固化條件是溫度70-80℃，時間12-16小時。
2.按權(quán)利要求1，其特征在于所述的滿電極陶瓷厚膜元件制備是(1).以鈮鎂酸鉛為基本成份；(2).用電子陶瓷一般制備工藝制成陶瓷粉體；(3).用精密軋膜機軋制成生坯膜帶，經(jīng)沖片、排塑、燒成、最后制成0.40mm厚的厚膜陶瓷元件；(4).經(jīng)印刷并燒滲銀電極。
全文摘要
一種全電極陶瓷驅(qū)動器的制備技術(shù),主要包括將印有3A型有機粘結(jié)膠的滿電極陶瓷厚膜元件疊成所需高度后,夾緊在70—80℃,12—16小時固化;然后經(jīng)冷加工使每層元件的端電極完全暴露,再用阻焊油墨8均勻涂覆外露端電極6的4個側(cè)面,油墨固化后在兩個相對側(cè)面分別交替刻出端電極6使其交替外露;最后用導(dǎo)電膠將兩側(cè)面交替暴露的端電極的6涂覆連接起來,在固化的導(dǎo)電膠上焊接引線。制備的陶瓷驅(qū)動器具有位移均勻、抗負載力強、機械強度高、工作電壓低等優(yōu)點。
文檔編號H01L41/18GK1244042SQ9911680
公開日2000年2月9日 申請日期1999年8月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月20日
發(fā)明者溫保松, 嚴鴻萍, 馬佳華 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所