專利名稱：壓電陶瓷體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于器件例如換能器(transducer)和傳感器的壓電陶瓷復(fù)合材料的制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及用于壓電陶瓷-聚合物復(fù)合材料的壓電陶瓷體的制造方法。
背景技術(shù)：
壓電復(fù)合材料已以日益增加的頻率在用于超聲成像、生物測(cè)定學(xué)和非破壞性試驗(yàn) (NDT)的聲換能器中使用。典型地，在這樣的換能器中的聲活性元件由壓電陶瓷材料制成。 但是，對(duì)于大陣列聲換能器的市場(chǎng)需求已受到制造壓電復(fù)合材料中涉及的高成本限制。高成本主要起因于與制造用于換能器的陶瓷體關(guān)聯(lián)的制造方法中的困難。制造用于換能器的壓電復(fù)合材料的最常用的制造方法是切塊和填充(D&F)法。 D&F法中，將切片鋸(wafer saw)用于在燒結(jié)壓電陶瓷體中切出矩形或菱形切槽的格網(wǎng)而不是一直切穿(即留下固體材料基底)。然后將切槽用聚合物填充；稱為包封的方法。該方法生產(chǎn)出由聚合物填充物包圍的陶瓷柱的矩陣。通過將陶瓷體的任何未開槽的截面磨掉、將暴露的陶瓷的表面電鍍、機(jī)加工成形狀和極化(poling)來繼續(xù)進(jìn)一步加工以制造換能器或傳感器。但是，D&F法具有幾個(gè)限制。一個(gè)這樣的限制是，取決于換能器的頻率和相關(guān)的柱間距，D&F法花費(fèi)約$100-$200/平方英寸。此外，由于壓電燒結(jié)陶瓷體的硬度，耗費(fèi)加工時(shí)間；只能夠以約3mm/秒-5mm/秒的速度切塊。此外，切塊利用薄金剛石涂布刀片以將陶瓷體開槽(切割)。刀片價(jià)格高，具有短的使用壽命，并且難以更換。因此，需要的是用于可靠地制造壓電陶瓷體的更高效率且更低成本的方法，該壓電陶瓷體用來制造用于大陣列聲換能器和傳感器的壓電復(fù)合材料。還需要改善收縮控制和減小翹曲的方法和/或體系?？刂剖湛s允許更高效率地加工用于制造換能器和傳感器的燒結(jié)陶瓷體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供改進(jìn)的制造壓電復(fù)合材料的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明包括壓電陶瓷體的制造方法，該方法包括將陶瓷粉末、聚合物粘結(jié)劑和表面活性劑混合以形成具有以重量計(jì)的固體負(fù)載的料漿混合物；將所述料漿混合物澆注到模具中；在所述模具中使該料漿混合物固化以形成生坯；將所述生坯與所述模具分離；切割所述生坯以形成切割的生坯，該切割的生坯具有包含多個(gè)微米尺寸陶瓷元件和間隔的陣列；和燒結(jié)所述切割的生坯以形成致密化的燒結(jié)體。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，對(duì)該燒結(jié)陶瓷體進(jìn)一步加工以通過將該燒結(jié)陶瓷體包封在聚合物材料中而形成壓電陶瓷-聚合物復(fù)合材料。在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明包括壓電復(fù)合材料的制造方法，該方法包括將壓電陶瓷粉末、有機(jī)粘結(jié)劑和表面活性劑混合以形成料漿，其中所述料漿具有至少90重量％的固體負(fù)載；將所述料漿澆注到模具中以形成生坯；將所述生坯與所述模具分離；切割所述生坯以形成切割的生坯，該切割的生坯具有微米尺寸的陶瓷元件和間隔的陣列；素?zé)?(bisquing)所述切割生坯以將所述聚合物粘結(jié)劑燒掉；燒結(jié)所述切割的生坯以形成燒結(jié)陶瓷體；和將所述燒結(jié)陶瓷體包封在聚合物材料中以形成壓電陶瓷-聚合物復(fù)合材料。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，對(duì)該壓電復(fù)合材料進(jìn)一步加工以形成器件，例如聲換能器或傳感器。在替代性實(shí)施方案中，本發(fā)明包括網(wǎng)狀壓電復(fù)合材料的制造方法，該方法包括將壓電陶瓷粉末、有機(jī)粘結(jié)劑和表面活性劑和任選的分散劑混合以形成料漿混合物，其中所述料漿具有至少90重量％的固體負(fù)載；將該料漿注入模具中以形成網(wǎng)狀生坯，該網(wǎng)狀生坯具有微米尺寸的陶瓷元件和間隔的陣列；將所述生坯與所述模具分離；素?zé)錾饕詫⒃撜辰Y(jié)劑燒掉；燒結(jié)所述生坯以形成燒結(jié)陶瓷體；和將所述燒結(jié)陶瓷體包封在聚合物材料中以形成壓電陶瓷-聚合物復(fù)合材料。以下參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方案、特征和優(yōu)點(diǎn)以及本發(fā)明的各種實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)和操作進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)理解以上概述和以下詳述均只是例示性和解釋性的，并且對(duì)要求保護(hù)的發(fā)明不具有限制性。


引入本文中并且形成說明書的一部分的附圖表示制造壓電陶瓷體的澆注和切塊法，和更具體地，用于換能器和傳感器的壓電陶瓷復(fù)合材料的制造方法。與說明書一起，附圖進(jìn)一步用于解釋本文中所述的制造壓電陶瓷體的澆注和切塊法的原理，由此使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)制造的澆注和切塊法制造和使用壓電陶瓷體。圖1表示了示出用于制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的燒結(jié)陶瓷體的例示步驟的流程圖。圖2表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的料漿混合物的圖。圖3A表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的與模具分離的圓形生坯的圖示。圖;3B表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的與模具分離的矩形生坯的圖示。圖4表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的多個(gè)微米尺寸的具有切槽(元件之間的間隔)的陶瓷元件陣列的圖示。圖5表示了示出用于進(jìn)一步對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的燒結(jié)陶瓷體進(jìn)行加工的例示步驟的流程圖。圖6表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在元件之間具有聚合物填料的陶瓷元件的列的圖示。圖7表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的傳感器陣列的圖示。圖8表示了示出用于制造根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的網(wǎng)狀燒結(jié)陶瓷體的例示步驟的流程圖。圖9A表示在網(wǎng)狀陶瓷體中具有均勻的圓形微米尺寸的陶瓷元件的陣列的圖示。圖9B表示在網(wǎng)狀陶瓷體中具有均勻的矩形微米尺寸的陶瓷元件的陣列的圖示。圖9C表示在網(wǎng)狀陶瓷體中具有各種尺寸的圓形微米尺寸的陶瓷元件的陣列的圖示。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案詳細(xì)說明，其中同樣的附圖標(biāo)記表示同樣的要
ο本文中使用“料漿混合物”是指包含能夠成型以形成成型料漿混合物的陶瓷粉末的組合物。本文中使用“生坯”是指由使該料漿混合物成型與固化得到的成型制品。本文中使用“切割的生坯”是指將生坯切割/切塊以形成多個(gè)陶瓷元件的陣列的產(chǎn)物。本文中使用的“燒結(jié)陶瓷體”是指燒結(jié)生坯的產(chǎn)物。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及陶瓷體的制造方法，包括如下步驟將陶瓷粉末、 聚合物粘結(jié)劑和表面活性劑混合以形成料漿混合物；將該料漿澆注到模具中并且固化以形成陶瓷生坯；將該生坯從該模具分離；將該生坯切割(切塊)以形成微米尺寸的陶瓷元件 (柱)和該元件之間的微米尺寸的間隙/間隔的陣列；和燒結(jié)該切割的生坯以形成燒結(jié)陶瓷體。例如，圖1是表示用于制備燒結(jié)陶瓷體的例示步驟的流程圖100的圖示。在步驟 102中，將陶瓷粉末、聚合物粘結(jié)劑、表面活性劑和任選的分散劑混合以形成料漿混合物。在另一實(shí)施方案中，形成料漿前可任選地將陶瓷粉末磨碎(用研磨介質(zhì)研磨)以具有優(yōu)選的特定顆粒尺寸和/或尺寸分布。在步驟104中，將料漿混合物澆注到模具中并且在步驟106中在模具中固化以形成生坯。在步驟108中，將該生坯從該模具中分離(即脫模)以致在步驟110中能夠?qū)⑵淝懈罨蚯袎K以形成微米尺寸的陶瓷元件的陣列，在該元件之間具有微米尺寸的間隔(切槽)。 在步驟112中，將該切割的生坯加熱(燒結(jié))以將粘結(jié)劑燒掉并且使該生坯致密化以形成燒結(jié)陶瓷體。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，可將燒結(jié)陶瓷體進(jìn)一步加工以通過將該燒結(jié)陶瓷體包封在聚合物材料中而形成壓電復(fù)合材料。在另一實(shí)施方案中，可將壓電復(fù)合材料加工以形成器件例如換能器或傳感器。圖2是料漿混合物202的圖200的圖示。料漿混合物202包含陶瓷粉末204、聚合物粘結(jié)劑206、表面活性劑208和任選的分散劑210。本發(fā)明中使用的陶瓷粉末可以是任何壓電或電致伸縮陶瓷粉末。這樣的材料在本領(lǐng)域中是公知的并且可商購。具體的實(shí)例包括但并不限于鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯酸鉛、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛鈮(PNT)、鈦酸鉛鈧鈮和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何其它適合的壓電或電致伸縮陶瓷粉末。本發(fā)明中使用的優(yōu)選的材料是PZT?？扇芜x地將商購的陶瓷粉末進(jìn)一步加工為所需的形式，例如具有限定的顆粒尺寸和/或尺寸分布的形式。控制顆粒尺寸和尺寸分布對(duì)于控制燒結(jié)陶瓷體的收縮是重要的。 將陶瓷粉末研磨到所需的顆粒尺寸和尺寸分布改善了收縮控制以避免陶瓷體的開裂，而且通過在料漿混合物202中具有高固體負(fù)載而允許增加生坯的密度。增加生坯的密度提供改善的用于切塊的機(jī)械強(qiáng)度并且導(dǎo)致固化和燒結(jié)過程中的收縮量的降低。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，陶瓷粉末具有0. 2 μ m-1. 6 μ m的顆粒尺寸。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，將例示顆粒尺寸分布示于表1中
表1 優(yōu)選的顆粒尺寸分布
權(quán)利要求
1.壓電陶瓷體的制造方法，包括(a)將陶瓷粉末、聚合物粘結(jié)劑和表面活性劑混合以形成具有以重量計(jì)的固體負(fù)載的料漿混合物；(b)將所述料漿混合物澆注到模具中；(c)在所述模具中使該料漿混合物固化以形成生坯；(d)將所述生坯從所述模具分離；(e)切割所述生坯以形成切割的生坯，該切割的生坯具有包含多個(gè)微米尺寸的陶瓷元件和間隔的陣列；和(f)將所述切割的生坯燒結(jié)以形成致密化的燒結(jié)體。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述陶瓷粉末占該料漿混合物的至少90重量％。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述陶瓷粉末占該料漿混合物的至少95體積％。
4.權(quán)利要求1的方法，還包括研磨所述陶瓷粉末，其中所述陶瓷粉末具有 0. 2μ -1. 6μπ 的顆粒尺寸范圍。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述陶瓷粉末是壓電或電致伸縮陶瓷粉末。
6.權(quán)利要求2的方法，其中所述壓電陶瓷粉末選自鋯鈦酸鉛(ΡΖΤ)、鈦酸鉛鈮(PNT)Ji 酸鉛鈧鈮(PSNT)、(PMN)、鈦酸鉛和鈦酸鋇。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合物粘結(jié)劑是環(huán)氧聚合物。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述環(huán)氧聚合物是雙組分環(huán)氧樹脂。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述料漿還包含分散劑。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述固化步驟包括以100°C-14(TC的溫度在所述模具中將所述料漿混合物固結(jié)足夠的時(shí)間以形成所述生坯。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述切割步驟包括用切塊機(jī)將所述生坯切塊。
12.權(quán)利要求1的方法，其中所述微米尺寸的陶瓷元件具有如下尺寸150μπι-325μπι 的高度、35 μ m-65 μ m的寬度和25 μ m-50 μ m的元件與元件的間隔。
13.權(quán)利要求1的方法，其中還包括素?zé)幚硪詮乃銮懈畹纳髦谐ニ鼍酆衔镎辰Y(jié)劑，其中將所述切割的生坯加熱到足夠的溫度持續(xù)足夠的時(shí)間以將所述粘結(jié)劑燒掉。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述素?zé)幚磉€包括將所述切割的生坯加熱到 600C _750°C之間的溫度。
15.權(quán)利要求1的方法，其中所述燒結(jié)步驟還包括將所述生坯加熱到1000°C-1100°C之間的溫度持續(xù)1小時(shí)-2小時(shí)的時(shí)間。
16.權(quán)利要求1的方法，其中所述燒結(jié)步驟還包括將所述生坯加熱到足夠的溫度持續(xù)足夠時(shí)間以使所述燒結(jié)陶瓷體致密化為理論密度的至少95%。
17.權(quán)利要求1的方法，還包括將所述燒結(jié)陶瓷體包封在聚合物材料中以將所述間隔填充并且形成陶瓷-聚合物復(fù)合材料的步驟。
18.制造用于器件的壓電陶瓷復(fù)合材料的方法，包括(a)將壓電陶瓷粉末、有機(jī)粘結(jié)劑和表面活性劑混合以形成料漿，其中所述料漿具有至少90重量％的固體負(fù)載；(b)將所述料漿澆注到模具中以形成生坯；(c)將所述生坯與所述模具分離；(d)切割所述生坯以形成切割的生坯，該切割的生坯具有微米尺寸的陶瓷元件和間隔的陣列；(e)素?zé)銮懈畹纳饕詫⑺鼍酆衔镎辰Y(jié)劑燒掉；(f)燒結(jié)所述切割的生坯以形成燒結(jié)陶瓷體；和(g)將所述燒結(jié)陶瓷體包封在聚合物材料中以形成陶瓷-聚合物復(fù)合材料。
19.權(quán)利要求18的方法，還包括研磨所述陶瓷粉末，其中所述陶瓷粉末具有 0. 2μ -1. 6μπ 的顆粒尺寸范圍。
20.權(quán)利要求19的方法，其中所述壓電陶瓷粉末選自鋯鈦酸鉛(ΡΖΤ)、鈦酸鉛鈮(ΡΝΤ)、 鈦酸鉛鈧鈮(PSNT)、(PMN)、鈦酸鉛和鈦酸鋇。
21.權(quán)利要求18的方法，其中所述聚合物粘結(jié)劑是雙組分環(huán)氧樹脂。
22.權(quán)利要求18的方法，其中所述料漿還包含分散劑。
23.權(quán)利要求18的方法，其中所述固化步驟包括在110°C-130°C的溫度下在所述模具中將所述料漿混合物固結(jié)12-M小時(shí)的時(shí)間以形成所述生坯。
24.權(quán)利要求1的方法，其中所述微米尺寸的陶瓷元件具有如下尺寸200μπι-300μπι 的高度、50 μ m-65 μ m的寬度和20 μ m-35 μ m的元件與元件的間隔。
25.權(quán)利要求18的方法，其中所述素?zé)襟E還包括將所述切割的生坯加熱到 1300C _750°C之間的溫度持續(xù)60小時(shí)-68小時(shí)的時(shí)間。
26.權(quán)利要求18的方法，其中所述燒結(jié)步驟還包括將所述生坯加熱到1000°C-IlOO0C 之間的溫度持續(xù)1小時(shí)-2小時(shí)的時(shí)間。
27.權(quán)利要求18的方法，其中所述燒結(jié)步驟還包括將所述生坯加熱到足夠的溫度持續(xù)足夠的時(shí)間以使所述燒結(jié)陶瓷體致密化為理論密度的97% -99%。
28.權(quán)利要求18的方法，還包括對(duì)所述復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)加工的步驟以使所述燒結(jié)陶瓷體的至少一個(gè)表面暴露。
29.權(quán)利要求觀的方法，還包括形成與所述復(fù)合材料的接觸以提供與該燒結(jié)陶瓷體的電連接性的步驟。
30.權(quán)利要求四的方法，還包括用電氣部件對(duì)該燒結(jié)陶瓷體編址以形成器件的步驟。
31.1-3復(fù)合材料制造方法，包括(a)提供生坯瓷磚作為基材；和(b)使用構(gòu)成方法以基于該生坯瓷磚產(chǎn)生包括預(yù)定幾何形狀的元件的矩陣。
全文摘要
本發(fā)明涉及壓電陶瓷體的制造方法和由其得到的器件。該方法包括將壓電陶瓷粉末與聚合物粘結(jié)劑和表面活性劑混合以形成料漿混合物，將該料漿混合物澆注到模具中并且在該模具中使該料漿混合物固化以形成生坯，切割該生坯以形成切割的生坯，該切割的生坯具有微米尺寸的陶瓷元件和間隔的陣列，和將該切割的生坯燒結(jié)以形成燒結(jié)陶瓷體?？蓪?duì)該燒結(jié)陶瓷體進(jìn)一步加工以將其包封到聚合物材料中以形成壓電陶瓷-聚合物復(fù)合材料?？蓪?duì)該壓電陶瓷-聚合物復(fù)合材料進(jìn)一步加工以形成器件例如聲換能器和傳感器。
文檔編號(hào)H01L41/22GK102484200SQ201080032563
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者D·留弗, L·里格尼爾 申請(qǐng)人:索納維森股份有限公司