一种多层陶瓷压电驱动器的制备方法

本发明属于压电器件，具体是一种多层陶瓷压电驱动器的制备方法。

背景技术：

1、当今科技发展，微型精密驱动器的需求日益增加，传统的驱动技术包括液压式驱动、气压式驱动、和电磁式驱动等技术，应用范围广、技术成熟，具有运动速度快、承载力强、位移连续、行程大等优点；但在精密驱动技术领域应用受到极大限制，这些传统驱动技术结构尺寸大、回差大、驱动精度和重复定位精度较差，而压电驱动器具有易结构小型化、精度高、响应快速、分辨率高和输出力大等种种优良性能，在微型驱动器上获得了极大的应用。随着电子器件的不断小型化、集成化，压电驱动器的小型化也成为必然趋势，多层陶瓷压电陶瓷驱动器能够较大减小激励电压，满足于小型化的应用需求。

2、基于逆压电效机理生产的多层压电驱动器因其通过叠层方式降低了压电单元的厚度，极大减小了激励电压，同时，对于不同层厚或者层数方面对其输出性能的影响，以及应对多元化的应用场景，需要对其尺寸进行设计以达到良好输出性能要求。因此，在研究设计多层压电陶瓷驱动时采用数值仿真分析方法分析多层压电陶瓷驱动器的输出性能能够很大程度节省试验成本，为结构设计工作作出指导。

技术实现思路

1、针对微型多层压电驱动器，本发明提供了一种多层陶瓷压电驱动器制备方法，大量节省测试时间和成本。

2、一种多层陶瓷压电驱动器制备方法，该方法包括：

3、建立多层陶瓷压电驱动器的三维立体有限元模型，模型面宽尺寸为4mm×4mm，厚度尺寸为100μm，忽略电极厚度，并采用结构化六面体网格进行网格剖分，网格尺寸为0.15mm，压电单元厚度方向分布2层网格；选择固体力学和静电多物理场耦合模块，设置材料为pzt，机械阻尼为0.01各项同性损耗因子。力学边界条件采用自由态，电学边界条件添加100v/mm电势以及另外电极接地。

4、分别进行1khz频域计算分析变层厚参数模型输出性能、特征频率分析寻找器件特征频率、定频1khz分析器件准静态条件下位移输出随电压变化和传感性能以及扫频range(1khz,1khz,450khz)分析位移输出随频率变化；

5、采用流延法制备陶瓷生片，流延浆料配比为丁酮(84wt％)、乙醇(36wt％)作为溶剂，添加玉米油(3wt％)作为分散剂，以及邻苯二甲酸二丁酯(3wt％)和聚乙烯醇缩丁醛(5wt％)。配料完成球磨混料24h后进行除泡、调节粘稠度，之后进行流延，制备陶瓷生片；

6、采用丝网印刷版印刷内电极，电极原料为银浆，并经过醋酸酯稀释。采用热压法进行叠层，热压温度为50℃，分段式给压，压力程序为173mpa-10min——345mpa-10min——690mpa-30min；

7、分别采用600℃和950℃温度进行样品排胶与烧结，烧结好的样品进行被外电极后进行位移以及阵型测试。

8、本发明需要考虑层厚对位移输出的影响。而本发明采用边界电势代替电极，忽略电极层厚影响，电极层对位移输出不作贡献，不考虑其厚度尺寸。

9、本发明采用结构化六面体网格进行网格划分，并在建模过程中预先将模型切分成统一模块，以满足结构化网格规整划分。本发明是综合多频率和多电压下位移性能分析。

10、本发明选取合适的流延浆料配方流延均匀无裂无气泡的陶瓷生片，且强度足够便于整齐叠层。

11、本发明选取稀释电极浆料以及丝网印刷板印刷均匀无缺陷且较薄的内电极；

12、本发明对温度和压力程序进行控制，减少样品分层及流边现象。

13、本发明采用较低温度进行排胶和烧结，保证样品性能以及减少开裂现象。

14、本发明相比现有技术，显著优点为：在仿真方面，通过合理剖分模型从而划分结构画网格，并且在误差允许范围内减少网格数量，减小了计算量，通过结果后处理图能够较为直观展现样品模型性能，并且关注了多层结构的层厚因素对性能的影响，很大程度减少了试验成本，以及制备方法中，采用分段式热压法能够有效将陶瓷生片粘合在一起，并采用950℃低温共烧制备样品，结果表明性能良好。

技术特征：

1.一种多层陶瓷压电驱动器的制备方法，其特征在于，该方法包括：

2.如权利要求1所述的多层陶瓷压电驱动器的制备方法，其特征在于，样品厚度尺寸小于3mm，面宽小于5mm,电极采用叉指排布方式，且电极边缘小于1mm，单层压电单元厚度≤100μm。

3.如权利要求1所述的多层陶瓷压电驱动器的制备方法，其特征在于，

4.如权利要求1所述的多层陶瓷压电驱动器的制备方法，其特征在于，选择固体力学和静电多场耦合模块，设置电学边界条件为100v/mm电势以及另一端接地。

5.如权利要求1所述的多层陶瓷压电驱动器的制备方法，其特征在于，材料为pzt，设置机械阻尼为0.01各向同性损耗因子。

6.如权利要求1所述的多层陶瓷压电驱动器的制备方法，其特征在于，频率激励过程中的位移输出情况分析过程如下：进行1khz频域计算分析变层厚参数模型输出性能、特征频率分析寻找器件特征频率、定频1khz分析器件准静态条件下位移输出随电压变化和传感性能以及扫频range，1khz,1khz,450khz分析位移输出随频率变化。

7.如权利要求1所述的多层陶瓷压电驱动器的制备方法，其特征在于，流延浆料配比为丁酮84wt％、乙醇36wt％，玉米油3wt％，邻苯二甲酸二丁酯3wt％和聚乙烯醇缩丁醛5wt％制备陶瓷生片。

8.如权利要求7所述的多层陶瓷压电驱动器的制备方法，其特征在于，配料完成球磨混料24h后进行除泡、调节粘稠度，之后进行流延，制备陶瓷生片。

9.如权利要求1所述的多层陶瓷压电驱动器的制备方法，其特征在于，丝网印刷采用醋酸酯稀释电极浆料通过丝网印刷板进行内电极印刷，并采用50℃进行热压叠层，升压程序为173mpa-10min——345mpa-10min——690mpa-30min。

10.如权利要求1所述的多层陶瓷压电驱动器的制备方法，其特征在于，排胶在600℃下进行，升降温速率为0.5℃/min，并在250℃、450℃、600℃均保温2h；采用950℃温度烧结，以2℃/min升温至600℃，以1℃/min升温至950℃，保温2h，以0.5℃/min降温至600℃，以1℃/min降温至室温。

技术总结本发明公开了一种多层陶瓷压电驱动器的制备方法。该方法包括：通过仿真计算的方式设计一种多层压电陶瓷驱动器：建立多层压电驱动器的三维有限元模型；分析压电器件在不同电压和频率激励过程中的位移输出情况；采用低温共烧方法制备多层压电陶瓷驱动器：选取PZT陶瓷粉体配制流延浆料并流延成陶瓷生片；印刷内电极并采用热压法进行叠层；样品进行排胶与烧结以及被外电极；通过上述步骤制备的样品进行位移性能测试，符合仿真结果。技术研发人员：王芳芳,谈仁辉,严康受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18