基于超聲駐波場的包覆壓電單元薄膜的制造方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及復合壓電薄膜制造技術，尤其是涉及了一種基于超聲駐波場的包覆壓電單元薄膜的制造方法及裝置。
【背景技術】
[0002]壓電材料是一種可以實現(xiàn)機械能與電能相互轉(zhuǎn)化的功能材料，在工業(yè)、軍事和醫(yī)學等領域有廣泛的應用。常規(guī)壓電材料根據(jù)其化學成分的不同，可以分為壓電陶瓷、壓電晶體以及有機壓電材料。壓電陶瓷包括鈦酸鋇、鈦酸鉛和鋯酸鉛等，由于壓電陶瓷具有壓電常數(shù)高，介電常數(shù)大，以及易于機械加工等特點，因此適用于制造大功率壓電換能器和濾波器，比如海洋聲吶、超聲清洗機、金屬探傷機和超聲醫(yī)療設備等。此外，由于壓電陶瓷在電場作用下的形變量很小，因此基于其逆向壓電效應制造的壓電驅(qū)動器可以實現(xiàn)高精度的運動控制。但由于電損耗大，并且穩(wěn)定性較低，因此壓電陶瓷不適用于高頻場合。壓電晶體包含石英、鍺酸鋰和鈮酸鋰等，其特點為穩(wěn)定性高，因而適用于對頻率穩(wěn)定性要求嚴格的場合，以及制造高頻電子元器件，如振蕩器和延遲線等。但壓電晶體壓電常數(shù)低，介電常數(shù)很小，并且存在切型約束而無法加工到特殊尺寸與形狀，因而限制了壓電晶體應用領域。以PVDF為代表的有機壓電聚合物具有柔韌性好、密度低和壓電常數(shù)高等優(yōu)點，但是較低的壓電應變常數(shù)致使其不適于制作有源發(fā)射端，因此應用范圍受到了制約。
[0003]與上述三種常規(guī)壓電材料化學組成和制造方法不同，復合壓電材料是通過將單一或多種壓電陶瓷粉末與聚合物按照一定比例進行混合，并采用熱壓等方法制備而成。由于其特殊的材料組成，復合壓電材料兼具壓電陶瓷、壓電晶體和有機壓電材料的優(yōu)點，包括較好的機械性能，如高柔韌性、低低密等，并且具有機電、壓電耦合系數(shù)大、靈敏度高及大范圍溫度內(nèi)壓電常數(shù)穩(wěn)定等特點。
[0004]基于壓電效應的柔性傳感器被廣泛的應用于生機電系統(tǒng)和工業(yè)傳感測量領域，如電子皮膚和加速度計等。構(gòu)成柔性壓電傳感器的關鍵部分是柔性傳感層，常見的制備柔性傳感層的材料有PVDF和具有壓電陶瓷夾層的柔性薄膜，然而上述兩類材料不能兼具高壓電常數(shù)、高柔韌性和較大的壓電應變常數(shù)等優(yōu)點。近年來，國外研究者提出了一種新型的復合壓電材料制備方法，首先將壓電陶瓷粉末與液態(tài)有機柔性薄材料進行混合，然后采用光固化的方式使材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，他們制造的復合壓電材料具有柔性好和壓電性能高的特點。但是無論采用傳統(tǒng)還是新型壓電材料，在制造含有高重復性陣列排布壓電單元的傳感層時，如壓電式柔性觸覺傳感器的受力層，都需要對壓電材料進行高精度的機械切割及裝配，因而導致生產(chǎn)效率很低。因此，制造一種兼具高柔性和高壓電性能，且免于機械裝配的含有周期性單元的壓電材料是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決【背景技術】中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于超聲駐波場的包覆壓電單元薄膜的制造方法及裝置。
[0006]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]一、一種基于超聲駐波場的包覆壓電單元薄膜的制造方法:
[0008]I)構(gòu)建兩對正交排布的叉指換能器，每對叉指換能器由壓電晶片和銅質(zhì)叉指電極組成，并在聲表面波換能器之間放置PDMS微流道，使PDMS微流道覆蓋在壓電晶片正中央，通過注射栗的控制將由液態(tài)預聚物、經(jīng)耦合劑接枝的壓電粉末顆粒和光引發(fā)劑組成的光敏壓電混合液注入PDMS微流道并鋪設一層；
[0009]2)將叉指換能器與信號發(fā)生器的兩個輸出通道相連，啟動信號發(fā)生器，兩對正交排布的叉指換能器在鈮酸鋰晶片上激發(fā)四列聲表面波，四列行波在PDMS微流道覆蓋區(qū)域疊加形成穩(wěn)定的二維駐波場；
[0010]3)光敏壓電混合液中的壓電粉末顆粒在駐波場中受到聲輻射力的作用，向附近的節(jié)點移動，從而在液體中形成陣列排布的壓電單元；
[0011]4)待液體中的壓電單元陣列排布穩(wěn)定后，采用紫外光源對光敏壓電混合液進行照射使其交聯(lián)固化，最后對固化后的材料進行剝離獲得包覆陣列壓電單元的柔性薄膜。
[0012]所述步驟中，通過調(diào)整信號發(fā)生器的頻率和相位，可以改變駐波場的節(jié)點間距和位置，進而調(diào)節(jié)壓電單元陣列排布的間距和整體位置，最終形成具有不同排布間距的包覆壓電單元薄膜。
[0013]所述的光敏壓電混合液，液態(tài)預聚物采用聚乙二醇二丙烯酸酯，耦合劑采用3_(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，壓電材料為經(jīng)3_(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷接枝處理的鈦酸鋇粉末，并采用安息香雙甲醚作為光引發(fā)劑，聚乙二醇二丙烯酸酯，安息香雙甲醚和經(jīng)3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷接枝處理后的鈦酸鋇粉末的配置質(zhì)量比為89:
10:1ο
[0014]所述的叉指換能器是具有多種共振頻率的銅質(zhì)叉指換能器，每個銅質(zhì)叉指電極的指寬和間距由外向內(nèi)逐漸遞減。
[0015]所述的壓電晶片采用128°Y切型、延X向傳播的雙面拋光鈮酸鋰。
[0016]二、一種基于超聲駐波場的包覆壓電單元薄膜的制造裝置:
[0017]包括鈮酸鋰晶片、銅質(zhì)叉指電極、PDMS微流道和紫外光源，鈮酸鋰晶片的上表面形成有兩對正交排布的銅質(zhì)叉指電極，銅質(zhì)叉指電極與鈮酸鋰晶片構(gòu)成叉指換能器，各個銅質(zhì)叉指電極與信號發(fā)生器的輸出通道相連，PDMS微流道覆蓋在鈮酸鋰晶片的正中央，四個銅質(zhì)叉指電極分別位于PDMS微流道的周圍四邊并呈對稱分布，PDMS微流道內(nèi)有光敏壓電混合液，紫外光源置于鈮酸鋰晶片下方。
[0018]所述的銅質(zhì)叉指電極通過光刻與濺射方法在鈮酸鋰晶片上制備。
[0019]所述的PDMS微流道為內(nèi)部中空且無底板的方殼體，殼體頂部鉆有注射孔和排氣孔，所述的光敏壓電混合液通過注射栗的控制由注射孔進入PDMS微流道。
[0020]所述的叉指換能器是具有多種共振頻率的銅質(zhì)叉指換能器，每個銅質(zhì)叉指電極的指寬和間距由外向內(nèi)逐漸遞減。
[0021]所述的壓電晶片采用128°Y切型、延X向傳播的雙面拋光鈮酸鋰。
[0022]本發(fā)明首先利用四列聲表面波產(chǎn)生穩(wěn)定的正交駐波場，在駐波場的聲輻射力作用下，光敏壓電混合液中的鈦酸鋇向駐波場節(jié)點移動，從而產(chǎn)生陣列排布的壓電單元。當排布穩(wěn)定后，打開紫外光源使光敏壓電混合液交聯(lián)固化，最后對固化后的材料進行剝離，即獲得包覆陣列壓電單元薄膜。在制造過程中改變信號發(fā)生器的輸出頻率、相位，可以調(diào)節(jié)壓電單元的排布規(guī)律。
[0023]本發(fā)明的PDMS微流道即為聚二甲基硅氧烷微流道。
[0024]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0025]本發(fā)明通過聲表面波駐波場的聲輻射力作用，實現(xiàn)鈦酸鋇在預聚物液體中陣列排布，結(jié)合紫外光固化成型，實現(xiàn)包覆陣列壓電單元薄膜的快速高精度制造；
[0026]本發(fā)明通過改變信號發(fā)生器的頻率和相位，控制壓電單元的排布規(guī)則，可以實現(xiàn)多樣性制造，可控性強，適用范圍廣；
[0027]本發(fā)明具有裝置簡單，體積小，能耗低的特點。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖2是本發(fā)明啟動叉指換能器后的裝置俯視圖。
[0030]圖3是本發(fā)明啟動叉指換能器及紫外光源后的成型示意圖。
[0031 ]圖4是本發(fā)明實施例制備得到的包覆陣列壓電單元薄膜的示意圖。
[0032]圖5是實施例經(jīng)過3_(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷處理后的鈦酸鋇粉末的光譜圖。
[0033]圖中:1.銅質(zhì)叉指電極，2.鈮酸鋰晶片，3.PDMS微流道，4.光敏壓電混合液，5.信號發(fā)生器，6.注射栗，7.陣列壓電單元，8.紫外光源。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0035]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的制造裝置包括鈮酸鋰晶片2、銅質(zhì)叉指電極UPDMS微流道3和紫外光源8，鈮酸鋰晶片2的上表面制作有兩對正交排布的銅質(zhì)叉指電極I，銅質(zhì)叉指電極I與鈮酸鋰晶片2構(gòu)成叉指換能器，每對銅質(zhì)叉指電極I與信號發(fā)生器5的輸出通道相連，無底的PDMS微流道3覆蓋在鈮酸鋰晶片2的正中央，四個銅質(zhì)叉指電極I分別位于PDMS微流道3的周圍四邊并呈中心對稱分布，PDMS微流道3內(nèi)均布有光敏壓電混合液4，紫外光源8置于鈮酸鋰晶片2下方。
[0036]銅質(zhì)叉指電極I通過光刻與濺射方法在鈮酸鋰晶片2上制備。
[0037]PDMS微流道3為內(nèi)部中空且無底板的方殼體，殼體頂部鉆有注射孔和排氣孔，所述的光敏壓電混合液