專利名稱：積層壓電致動(dòng)器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電致動(dòng)器及其制造方法，特別涉及一種積層壓電致動(dòng)器及其制造方法。
背景技術(shù)：
目前應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外設(shè)設(shè)備的噴墨打印頭的主要技術(shù)為壓電式噴墨打印頭和熱氣泡式噴墨打印頭，其差異主要在用來推動(dòng)墨水的致動(dòng)器分別為熱氣泡式或壓電式。熱氣泡式致動(dòng)器是利用加熱器將墨水瞬間氣化，產(chǎn)生高壓氣泡推動(dòng)墨水從噴嘴射出。壓電致動(dòng)器利用壓電陶磁因施加電壓產(chǎn)生形變的機(jī)制，擠壓液體產(chǎn)生高壓而將液體噴出。相對(duì)于熱氣泡式，壓電式噴墨頭有下列優(yōu)點(diǎn)壓電式不會(huì)因?yàn)楦邷貧饣a(chǎn)生化學(xué)變化，影響顏色品質(zhì)的狀況，并且由于沒有反復(fù)高熱應(yīng)力，因此具有極佳的耐久性。此外，壓電陶磁反應(yīng)速度快且容易控制液滴的大小，可提升打印速度和品質(zhì)，熱氣泡式則受限于熱傳導(dǎo)速度和氣化溫度，而影響其速度和品質(zhì)。
壓電致動(dòng)器可分為單層與積層結(jié)構(gòu)，目前市面的壓電式噴墨打印頭的致動(dòng)器多以單層為主，單層壓電致動(dòng)器是將具有壓電性質(zhì)的材料，如氧化鋅(ZnO)、鈦酸鉛(PbTiO3)或鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3，一般稱為PZT)等，其中以PZT壓電材料系列的壓電性質(zhì)較佳，以一定比例與玻璃粉體、有機(jī)粘結(jié)劑(Binder)、塑化劑(Plasticizer)和溶劑等混合調(diào)制成漿料(Slurry)，然后將此漿料利用刮刀(Doctor Blade)均勻涂布在承載膜(Mylar)上，隨著溶劑的揮發(fā)，壓電材料粉體緊密堆積，借著粘結(jié)劑作用使粉體具有足夠地強(qiáng)度結(jié)合在一起，而形成生胚薄帶。然后經(jīng)過裁切、燒結(jié)并接上電極即形成單層的壓電致動(dòng)器，相比于積層式結(jié)構(gòu)，單層壓電致動(dòng)器需要以較高的電壓驅(qū)動(dòng)。
積層壓電致動(dòng)器(Multilayer piezoelectric actuator，MPA)，具有微小位移的可控制性、高頻響應(yīng)特性、低消耗功率、不易發(fā)熱、不會(huì)產(chǎn)生電磁信號(hào)的干擾、轉(zhuǎn)換效率高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。但由于制作過程和結(jié)構(gòu)上的限制，很難用生胚薄帶來實(shí)現(xiàn)積層技術(shù)。只能重復(fù)多次薄膜制作過程來形成積層壓電結(jié)構(gòu)，如濺鍍(Sputter)或溶膠凝膠法(Sol-Gel)，但由于薄膜制程所能達(dá)到的壓電薄膜厚度有限，以這種制作過程所制作的壓電致動(dòng)器的位移量非常的微小，大多應(yīng)用在需要精密定位的微機(jī)電裝置。要使位移量符合壓電式噴墨頭的需求，單層壓電薄膜厚度需達(dá)到數(shù)十微米，利用薄膜制程需經(jīng)過許多次的堆疊，不符合經(jīng)濟(jì)效益。
此外，也可通過生胚堆疊的方式制作積層壓電致動(dòng)器，如US20030042821的美國專利早期公開案，其內(nèi)容公開了一種應(yīng)用于噴墨頭的積層壓電致動(dòng)器。以積層方式堆疊多層生胚與電極層，并將此積層結(jié)構(gòu)燒結(jié)完成之后裁切成適當(dāng)形狀，再在積層結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別形成外部電極，一側(cè)的外部電極與單數(shù)的電極層電性連接，另一側(cè)則與雙數(shù)的電極層電性連接，來形成積層壓電致動(dòng)器。然而以積層方式堆疊多層生胚與電極層，其尺寸體積很難縮減，在形狀上也有所限制。
因此，如何開發(fā)出更靈活且容易控制的制作過程，以制作出具有高致動(dòng)位移量且低驅(qū)動(dòng)電壓的壓電致動(dòng)器，并降低其制作過程難度和制作成本，即成為重要發(fā)展目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種積層壓電致動(dòng)器及其制造方法，以網(wǎng)版印刷的方式，網(wǎng)印電極層和壓電層以形成積層結(jié)構(gòu)后與振動(dòng)板進(jìn)行共燒。利用網(wǎng)板印刷技術(shù)可以制作各種組合與形狀的積層壓電結(jié)構(gòu)，并使壓電層達(dá)到足夠的厚度，以降低其驅(qū)動(dòng)電壓并提升致動(dòng)位移量。
本發(fā)明的積層壓電致動(dòng)器的制造方法，其步驟包含有提供一個(gè)基材；以網(wǎng)版印刷方式在基材表面印刷電極層；以網(wǎng)版印刷方式在電極層表面印刷壓電層；然后重復(fù)印刷電極層和壓電層的層疊到所需的層數(shù)；然后，以網(wǎng)版印刷方式在最頂端的壓電層表面印刷上電極層；將電極層、壓電層與基材進(jìn)行共燒。其中電極層以銀、銀/鈀、金或鉑等導(dǎo)電膠材經(jīng)印刷而成，壓電層則可為任意壓電材料所調(diào)制的漿料經(jīng)印刷而成，如氧化鋅(ZnO)、鈦酸鉛(PbTiO3)或鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3，PZT)等，電極層與壓電層的厚度依照不同需要可為2微米到40微米?；挠脕碜鳛檎駝?dòng)板，其材質(zhì)可為氧化鋯、氧化鋁等陶瓷材料，硅、氧化硅、氮化硅等硅晶材料、金屬氧化物、高分子材料或復(fù)合彈性材料。配合上述方法，本發(fā)明更包含一種積層壓電致動(dòng)器，以振動(dòng)板作為基材，在其表面網(wǎng)版印刷多層第一電極層、多層壓電層和一層以上的第二電極層的層疊，第一電極層和第二電極層間隔壓電層并交錯(cuò)堆疊，多層第一電極層導(dǎo)通于第一電壓端，一層以上的第二電極層導(dǎo)通于第二電壓端，利用第一電壓端與第二電壓端提供電位差給壓電層。由上所述，這種高致動(dòng)位移量的致動(dòng)器至少包含兩層第一電極層、兩層壓電層和一層第二電極層，在振動(dòng)板表面依次網(wǎng)版印刷第一電極層/壓電層/第二電極層/壓電層/第一電極層的層疊。
本發(fā)明方法可依據(jù)不同領(lǐng)域的需求制作具有較低驅(qū)動(dòng)電壓或較高致動(dòng)位移量的積層壓電致動(dòng)器，可廣泛應(yīng)用于微致動(dòng)閥、噴墨頭、微幫浦和微開關(guān)等。


圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例的制作流程圖；圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施例的正視剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的第一實(shí)施例的側(cè)視剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的應(yīng)用例的正視剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的第二實(shí)施例的側(cè)視剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是單層PZT致動(dòng)器的位移量分析圖；圖7是雙層PZT致動(dòng)器的位移量分析圖。
具體實(shí)施例方式
為使對(duì)本發(fā)明的目的、構(gòu)造特征及其功能有進(jìn)一步的了解，現(xiàn)配合附圖詳細(xì)說明如下。
本發(fā)明所公開的積層壓電致動(dòng)器及其制造方法，以網(wǎng)版印刷的方式來制作積層的電極層和壓電層結(jié)構(gòu)，除了網(wǎng)印一次即可提供每一單層足夠厚度之外，可利用不同的網(wǎng)版圖案制作不同形狀的電極層和壓電層結(jié)構(gòu)，并且利用重復(fù)的網(wǎng)印步驟制作任意層數(shù)的積層壓電致動(dòng)器。
參見圖1，圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例的制作流程圖，用來制作雙層壓電致動(dòng)器。首先，提供一個(gè)振動(dòng)板(步驟10)；以網(wǎng)版印刷方式在振動(dòng)板表面印刷下電極層(步驟20)；以網(wǎng)版印刷方式在下電極層表面印刷壓電層(步驟30)；以網(wǎng)版印刷方式在壓電層表面印刷中間電極層(步驟40)；以網(wǎng)版印刷方式在中間電極層表面印刷壓電層(步驟50)；以網(wǎng)版印刷方式在壓電層表面印刷上電極層(步驟60)；最后，將由下而上依次為下電極層/壓電層/中間電極層/壓電層/上電極層的層疊與基材進(jìn)行共燒(步驟70)。
參見圖2，圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施例的正視剖面結(jié)構(gòu)示意圖，在振動(dòng)板100表面由下而上依次為下電極層110/壓電層120/中間電極層130/壓電層120/上電極層140的層疊，其下電極層110和上電極層140導(dǎo)通于第一電壓端150，中間電極層導(dǎo)通于第二電壓端160，通過第一電壓端150與第二電壓端160提供電位差給壓電層120。
參見圖3，圖3是本發(fā)明的第一實(shí)施例的側(cè)視剖面結(jié)構(gòu)示意圖，振動(dòng)板表面的下電極層110和上電極層140互相連接在雙層壓電致動(dòng)器的一端，中間電極層130間隔壓電層120伸入下電極層110和上電極層140之間，并由雙層壓電致動(dòng)器的另一端延伸而出。
為更詳細(xì)說明本發(fā)明，參見圖4，圖4是本發(fā)明的應(yīng)用例的正視剖面結(jié)構(gòu)示意圖，將雙層壓電致動(dòng)器應(yīng)用在噴墨頭的數(shù)組式結(jié)構(gòu)，其噴墨頭由流體結(jié)構(gòu)200和多個(gè)雙層壓電致動(dòng)器所組成，流體結(jié)構(gòu)200包含有多個(gè)流體信道210與多個(gè)噴孔220，噴孔220連接在流體信道210，使流體由流體信道210進(jìn)入并在受壓后由噴孔220流出。雙層壓電致動(dòng)器與流體結(jié)構(gòu)200結(jié)合，以對(duì)流入流體信道210的流體施壓，使其由噴孔220流出。其中，每一雙層壓電致動(dòng)器的下電極層110和上電極層140都導(dǎo)通于第一電壓端150，中間電極層130都外接在第二電壓端160，從而提供電位差給壓電層120使其產(chǎn)生機(jī)械形變，進(jìn)而推動(dòng)振動(dòng)板100以施壓給流入流體信道210的流體。
由于本發(fā)明以振動(dòng)板作為基材，在其表面網(wǎng)版印刷多層第一電極層、多層壓電層和一層以上的第二電極層的層疊，第一電極層和第二電極層間隔壓電層并交錯(cuò)堆疊，所述多層第一電極層導(dǎo)通于第一電壓端，一層以上的第二電極層導(dǎo)通于第二電壓端，利用第一電壓端與第二電壓端提供電位差給壓電層。
由上所述，本發(fā)明可以制作任意層數(shù)組合與形狀的積層壓電致動(dòng)器。
參看圖5，為本發(fā)明的第二實(shí)施例的側(cè)視剖面結(jié)構(gòu)示意圖。以網(wǎng)版印刷方式在振動(dòng)板300表面堆疊三層第一電極層310、四層壓電層320和兩層第二電極層330從而形成積層壓電致動(dòng)器，先在振動(dòng)板300表面依次印刷第一電極層310、壓電層320、第二電極層330和壓電層320，每一層印刷完都須經(jīng)過烘干的步驟再印刷下一層；之后在最頂端的壓電層320表面，重復(fù)印刷第一電極層310、壓電層320、第二電極層330和壓電層320，再在頂端的壓電層320表面印刷第一電極層310來形成積層壓電結(jié)構(gòu)，最后，將振動(dòng)板300和積層壓電結(jié)構(gòu)加以共燒。如圖5所示，每一層第一電極層310和第二電極層330間隔壓電層320并交錯(cuò)堆疊，三層第一電極層310互相連接，兩層第二電極層320互相連接。
本發(fā)明的積層壓電致動(dòng)器依照印刷的層數(shù)不同可有效降低驅(qū)動(dòng)電壓，或依所積層數(shù)的不同提升致動(dòng)位移量。用有限元素仿真軟件分析和比較單層PZT致動(dòng)器與雙層PZT致動(dòng)器的致動(dòng)位移量差異。
參考圖6和圖7，圖6是單層PZT致動(dòng)器的位移量分析圖，圖7是雙層PZT致動(dòng)器的位移量分析圖。比較圖6和圖7可得知當(dāng)施予12Vp-p的輸入電壓時(shí)，雙層PZT致動(dòng)器的致動(dòng)位移量比單層PZT致動(dòng)器增加了2.245倍。
雖然本發(fā)明的較佳實(shí)施例如上所述，但并非用來限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，所作的種種變動(dòng)和修飾，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此本發(fā)明的專利保護(hù)范圍以權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
附圖符號(hào)說明步驟10提供一個(gè)振動(dòng)板步驟20以網(wǎng)版印刷方式在振動(dòng)板表面印刷下電極層步驟30以網(wǎng)版印刷方式在下電極層表面印刷壓電層步驟40以網(wǎng)版印刷方式在壓電層表面印刷中間電極層步驟50以網(wǎng)版印刷方式在中間電極層表面印刷壓電層步驟60以網(wǎng)版印刷方式在壓電層表面印刷上電極層步驟70將由下而上依序?yàn)橄码姌O層/壓電層/中間電極層/壓電層/上電極層的層疊與基材進(jìn)行共燒100 振動(dòng)板110 下電極層120 壓電層130 中間電極層140 上電極層150 第一電壓端160 流體結(jié)構(gòu)210 流體信道220 多個(gè)噴孔300 振動(dòng)板310 第一電極層320 壓電層330 第二電極層
權(quán)利要求
1.一種積層壓電致動(dòng)器的制造方法，其特征在于，包含以下步驟(a)提供一個(gè)基材；(b)以網(wǎng)版印刷方式在所述基材表面印刷一層電極層；(c)以網(wǎng)版印刷方式在所述電極層表面印刷一層壓電層；(e)重復(fù)一次以上步驟(b)到步驟(c)；(f)以網(wǎng)版印刷方式在最頂端的所述壓電層表面印刷一層上電極層；(g)將所述基材、所述電極層、所述壓電層與所述上電極層進(jìn)行共燒。
2.如權(quán)利要求1所述的積層壓電致動(dòng)器的制造方法，其特征在于，所述以網(wǎng)版印刷方式在所述基材表面印刷一層電極層的步驟，是選取一種導(dǎo)電材料以印刷所述導(dǎo)電層。
3.如權(quán)利要求2所述的積層壓電致動(dòng)器的制造方法，其特征在于，所述導(dǎo)電材料選自銀、銀/鈀、金和鉑所組成的族群的其中一種導(dǎo)電材料。
4.如權(quán)利要求1所述的積層壓電致動(dòng)器的制造方法，其特征在于，所述以網(wǎng)版印刷方式在所述電極層表面印刷一層壓電層的步驟，是選取一種壓電材料所調(diào)制的漿料來印刷所述壓電層。
5.如權(quán)利要求4所述的積層壓電致動(dòng)器的制造方法，其特征在于，所述壓電材料選自氧化鋅(ZnO)、鈦酸鉛(PbTiO3)和鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3，PZT)所組成的族群的其中一種。
6.如權(quán)利要求1所述的積層壓電致動(dòng)器的制造方法，其特征在于，所述電極層厚度為2微米到40微米。
7.如權(quán)利要求1項(xiàng)所述的積層壓電致動(dòng)器的制造方法，其特征在于，所述壓電層厚度為2微米到40微米。
8.如權(quán)利要求1所述的積層壓電致動(dòng)器的制造方法，其特征在于，所述基材的材料選自氧化鋯和氧化鋁所組成的族群的其中一種。
9.如權(quán)利要求1所述的積層壓電致動(dòng)器的制造方法，其特征在于，所述基材的材料選自硅、氧化硅和氮化硅所組成的族群的其中一種。
10.如權(quán)利要求1所述的積層壓電致動(dòng)器的制造方法，其特征在于，所述基材的材料為金屬氧化物、高分子材料和復(fù)合彈性材料所組成的族群的其中一種。
11.一種積層壓電致動(dòng)器，以一個(gè)振動(dòng)板作為基材，在所述振動(dòng)板表面堆疊有多層第一電極層、多層壓電層和一層以上的第二電極層的層疊，其特征在于，所述第一電極層、所述壓電層和所述第二電極層經(jīng)網(wǎng)版印刷方式依次堆疊在所述振動(dòng)板，并經(jīng)共燒而成，所述第一電極層和所述第二電極層間隔所述壓電層并交錯(cuò)堆疊，多層所述第一電極層導(dǎo)通于一個(gè)第一電壓端，一層以上的所述第二電極層導(dǎo)通于一個(gè)第二電壓端，通過所述第一電壓端與所述第二電壓端提供電位差給每一壓電層。
12.如權(quán)利要求11所述的積層壓電致動(dòng)器，其特征在于，所述電極層選取銀、銀/鈀、金和鉑所組成的族群的其中一種導(dǎo)電材料，并經(jīng)網(wǎng)版印刷和燒結(jié)而成。
13.如權(quán)利要求11所述的積層壓電致動(dòng)器，其特征在于，所述壓電層選取氧化鋅(ZnO)、鈦酸鉛(PbTiO3)和鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3，PZT)所組成的族群其中的一種壓電材料所調(diào)制的漿料，并經(jīng)網(wǎng)版印刷和燒結(jié)而成。
14.如權(quán)利要求11所述的積層壓電致動(dòng)器，其特征在于，所述電極層厚度為2微米到40微米。
15.如權(quán)利要求11所述的積層壓電致動(dòng)器，其特征在于，所述壓電層厚度為2微米到40微米。
16.一種壓電噴墨頭，其特征在于，包含有一個(gè)流體結(jié)構(gòu)，包含有多個(gè)流體信道和多個(gè)噴孔，所述噴孔連接于所述流體信道，流體從所述流體信道進(jìn)入并在受壓后從噴孔流出；多個(gè)積層壓電致動(dòng)器，設(shè)置在所述流體信道，所述積層壓電致動(dòng)器以一個(gè)振動(dòng)板作為基材，在所述振動(dòng)板表面堆疊多層第一電極層、多層壓電層和一層以上的第二電極層的層疊，所述第一電極層、所述第二電極層和所述壓電層經(jīng)網(wǎng)版印刷方式堆疊在所述振動(dòng)板，并經(jīng)共燒而成，所述第一電極層和所述第二電極層間隔所述壓電層并交錯(cuò)堆疊，多層所述第一電極層都導(dǎo)通于一個(gè)第一電壓端，一層以上的所述第二電極層導(dǎo)通于一個(gè)第二電壓端，通過所述第一電壓端與所述第二電壓端提供電位差給每一壓電層，使其產(chǎn)生機(jī)械形變，進(jìn)而推動(dòng)所述振動(dòng)板施壓給流入所述流體信道的流體。
17.如權(quán)利要求16所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述電極層選取銀、銀/鉛和鉑所組成的族群的其中一種導(dǎo)電膠，并經(jīng)網(wǎng)版印刷和燒結(jié)而成。
18.如權(quán)利要求16所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述壓電層選取氧化鋅(ZnO)、鈦酸鉛(PbTiO3)和鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3，PZT)所組成的族群的其中一種壓電材料所調(diào)制的漿料，并經(jīng)網(wǎng)版印刷和燒結(jié)而成。
19.如權(quán)利要求16所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述電極層厚度為2微米到40微米。
20.如權(quán)利要求16所述的積壓電噴墨頭，其特征在于，所述壓電層厚度為2微米到40微米。
全文摘要
一種積層壓電致動(dòng)器及其制造方法，是以網(wǎng)版印刷的方式，以振動(dòng)板作為基材，在它表面重復(fù)網(wǎng)版印刷電極層和壓電層的層疊到所需的層數(shù)，再以網(wǎng)版印刷方式在最頂端的壓電層表面印刷一層上電極層，將電極層、壓電層與基材進(jìn)行共燒，通過印刷技術(shù)可以制作各種組合與形狀的積層壓電結(jié)構(gòu)，并使壓電層達(dá)到足夠的厚度，以降低其驅(qū)動(dòng)電壓和提升致動(dòng)位移量。
文檔編號(hào)H01L41/22GK1599089SQ0312495
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者陳志明, 涂升利 申請(qǐng)人:飛赫科技股份有限公司