專利名稱：一種基于鈮鎂酸鉛－鈦酸鉛單晶的壓電驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的壓電驅(qū)動(dòng)器，屬于壓電器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多高技術(shù)領(lǐng)域越來越迫切需要微型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如生物細(xì)胞、聚合物的各種操作、微外科手術(shù)、掃描探針顯微鏡(SPM)，光纖對(duì)接，微細(xì)加工，半導(dǎo)體制板的精密定位等。對(duì)于這些領(lǐng)域，電磁式驅(qū)動(dòng)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其應(yīng)用要求，因此，需要研發(fā)新型驅(qū)動(dòng)器，壓電驅(qū)動(dòng)器就是其中的一種。由于壓電驅(qū)動(dòng)器具有體積小、承載力大、精度和位移分辨率高等特點(diǎn)，并且不產(chǎn)生噪聲、不受電磁干擾，所以用壓電驅(qū)動(dòng)器制作的微位移執(zhí)行器件在聲學(xué)、光學(xué)等諸多技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。
一般來說，電場誘導(dǎo)應(yīng)變Smax是決定壓電驅(qū)動(dòng)器性能的一個(gè)重要參量，它決定著驅(qū)動(dòng)器的能量密度，因此，發(fā)展驅(qū)動(dòng)器材料總的思路就是在保證其它性能優(yōu)良的同時(shí)研制Smax盡可能高的新型材料。目前，壓電和電致伸縮陶瓷材料提供的應(yīng)變水平最大不過～0.15％。而對(duì)于現(xiàn)在用途最廣的軟性PZT系壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器材料來說，雖然其壓電系數(shù)d33值可達(dá)750pC/N左右，可獲得較大的電場誘導(dǎo)應(yīng)變量，但由于其疇壁的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)變遲滯效應(yīng)較大，而且它的弱介電擊穿強(qiáng)度(Dielectric breakdown strength)和易極化飽和性(Polarizationsaturation)限制了它的應(yīng)變水平和應(yīng)用。壓電材料要取得大于0.15％的應(yīng)變量，其應(yīng)有大于1000的d33值和高的介電擊穿強(qiáng)度。
新型的高性能壓電材料鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛(化學(xué)組成為(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，簡稱為PMNT)壓電單晶在準(zhǔn)同型相界靠近三方一側(cè)具有非常優(yōu)異的壓電和機(jī)電耦合性能，d33＞2000pC/N，k33＞90％，在應(yīng)變達(dá)到0.6％時(shí)也只有非常小的應(yīng)變滯后，而且具有很高的介電擊穿強(qiáng)度(甚至可達(dá)120kV/cm)。這些性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常用的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器材料，彌補(bǔ)了壓電陶瓷性能方面的不足，顯示出了在高應(yīng)變驅(qū)動(dòng)器中良好的應(yīng)用前景。而且羅豪甦等人已經(jīng)采用改進(jìn)的Bridgman方法成功地實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量大尺寸PMNT單晶的批量生產(chǎn)(ZL專利號(hào)99113472.9)，為新型PMNT壓電單晶驅(qū)動(dòng)器的研制和應(yīng)用提供了材料上的保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，能實(shí)現(xiàn)位移輸出量大，應(yīng)變滯后又小的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛晶體壓電驅(qū)動(dòng)器器件。它的構(gòu)成為中間部分是利用疊層技術(shù)把多片單晶片按照機(jī)械上串聯(lián)，電路上并聯(lián)的方式疊加而成，兩端加有相同尺寸的Al2O3或金屬塊各一片，各晶片的兩端附有導(dǎo)電膠，并粘有銀導(dǎo)線可與外電源連接，這樣可以保證每一片單晶片上加有相同的電壓，從而增加了器件的總位移量。采用本發(fā)明的層疊式PMNT晶體壓電驅(qū)動(dòng)器器件，其性能不僅具有位移輸出量大、應(yīng)變曲線線性好、遲滯效應(yīng)較小的特點(diǎn)，而且還具有位移壓電響應(yīng)快、位移輸出頻譜平坦、工作電壓較低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足各種驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的要求，是一種綜合性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單的新型固態(tài)執(zhí)行器件。


圖1示出了在尺寸為5mm×5mm×0.15mm的晶片上鍍電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2示出了層疊式PMNT晶體壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3示出了各種尺寸的層疊式PMNT晶體壓電驅(qū)動(dòng)器器件的實(shí)物圖。
圖4示出了10mm長的PMNT晶體壓電驅(qū)動(dòng)器和PZT-5A陶瓷壓電驅(qū)動(dòng)器，其電致位移(應(yīng)變)分別如a和b曲線所示。在-25V到200V的電壓驅(qū)動(dòng)下，PMNT晶體壓電驅(qū)動(dòng)器能夠獲得最大達(dá)20.2μm的位移，是陶瓷壓電驅(qū)動(dòng)器的(9.8μm)兩倍，而且具有比陶瓷驅(qū)動(dòng)器更好的線性和更小的應(yīng)變滯后。
圖5示出了10mm長PMNT晶體壓電驅(qū)動(dòng)器在空負(fù)載(a)和負(fù)載40N的壓力(b)下的電致位移(應(yīng)變)曲線。在負(fù)載40N的重量下，驅(qū)動(dòng)器的位移量由原來的20.2μm減為18μm，而且應(yīng)變曲線線性和滯后基本上沒有什么變化，能夠滿足多種驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用要求。
圖6示出了10mm長PMNT晶體壓電驅(qū)動(dòng)器在不同溫度下的電致位移(應(yīng)變)曲線。當(dāng)溫度升至85℃時(shí)，四方相的出現(xiàn)降低了晶體驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)變性能。所以對(duì)于晶體驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用來說，工作溫度最好不應(yīng)高于80℃。
圖7示出了10mm長PMNT晶體壓電驅(qū)動(dòng)器在電壓80V下的壓電頻譜和位移頻譜。在電壓80V下，晶體壓電驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)位移輸出和壓電響應(yīng)輸出在所測(cè)頻率即5kHz范圍內(nèi)基本上保持不變，而且其位移量和d33值與靜態(tài)下測(cè)試的結(jié)果基本相符。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明選擇用改進(jìn)的Bridgman方法生長的<001>或<110>取向、組分為0.20≤x≤0.40的(1-x)PMN-xPT單晶，作為制作驅(qū)動(dòng)器的壓電材料。下面就以制作截面尺寸為5mm×5mm、長度為10mm的層疊式PMNT壓電驅(qū)動(dòng)器為例，簡要說明其制作過程將<001>或<110>取向PMNT晶體切割成大量尺寸(5mm×5mm×0.3mm)相同的晶片，把晶片兩面細(xì)磨到0.15mm厚(加工細(xì)磨的作用還可以保證晶片兩面的平整度)，參照如圖1所示的規(guī)格，鍍上電極。參照如圖2所示層疊式驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，利用疊層技術(shù)把55片上好電極、尺寸為5mm×5mm×0.15mm的晶片，用剛性較好的環(huán)氧樹脂和常溫固化劑按照機(jī)械上串聯(lián)，電路上并聯(lián)的方式粘結(jié)疊加，再在兩端加上相同尺寸的Al2O3或金屬塊各一片，然后在一定壓力下固化。晶片邊上附電極的兩端用低溫導(dǎo)電膠連接，并粘接上銀導(dǎo)線，然后加溫固化。最后在溫度120℃、100V的電壓下極化15分鐘。這樣就制成了如圖3所示的層疊式PMNT晶體壓電驅(qū)動(dòng)器的原型器件。參照?qǐng)D2，通過外接的銀導(dǎo)線與電源相連，在驅(qū)動(dòng)器的縱向就可輸出較大的驅(qū)動(dòng)位移，可廣泛的應(yīng)用于精密機(jī)械、納米控制等高新技術(shù)領(lǐng)域的微型和中、小型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之中。
權(quán)利要求
1.一種基于鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于采用鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶作為核心的壓電元件。
2.按權(quán)利要求1所述的一種基于鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于采用的鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶，其化學(xué)組成為(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，其用來制備壓電驅(qū)動(dòng)器的最優(yōu)組分在x為0.20-0.40，其晶體學(xué)方向可為<001>和<110>方向。
3.按權(quán)利要求1和2所述的一種基于鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的壓電驅(qū)動(dòng)器，其具有優(yōu)異的壓電性能，可廣泛的用于制備高性能壓電驅(qū)動(dòng)器器件。
4.按權(quán)利要求1、2和3所述的一種基于鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的壓電驅(qū)動(dòng)器，其壓電元件可采用多層的層疊式等結(jié)構(gòu)形式。
5.按權(quán)利要求1、2、3和4所述的一種基于鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于輸出位移量大且應(yīng)變滯后小，可廣泛的應(yīng)用于精密機(jī)械、納米控制等高新技術(shù)領(lǐng)域的微型和中、小型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之中。
全文摘要
本發(fā)明涉及用一種基于鈮鎂酸鉛－鈦酸鉛單晶的壓電驅(qū)動(dòng)器。在相同電壓下，與目前商品化的PZT－5A陶瓷壓電驅(qū)動(dòng)器相比，晶體驅(qū)動(dòng)器的最大位移輸出量是相同尺寸陶瓷驅(qū)動(dòng)器的2倍，而且具有比陶瓷驅(qū)動(dòng)器更小的應(yīng)變滯后和更好的線性度。在高電場下，晶體驅(qū)動(dòng)器比陶瓷驅(qū)動(dòng)器有更好的位移輸出特性。PMNT晶體壓電驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)位移性能的研究表明，在較寬的頻率范圍內(nèi)(小于5kHz)，驅(qū)動(dòng)器有平坦穩(wěn)定的位移、壓電輸出特性，具有位移輸出量大、位移響應(yīng)快、位移頻譜平坦和工作電壓較低的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足各種驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的要求，是一種綜合性能優(yōu)良、具有很大應(yīng)用前景的新型固態(tài)執(zhí)行器件。
文檔編號(hào)H01L41/18GK1921165SQ20051002900
公開日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2005年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月22日
發(fā)明者羅豪甦, 馮祖勇, 趙祥永, 徐海清, 賀天厚, 林迪 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所