[发明专利]准切变模式多层共烧压电致动器及其多层共烧制备方法

说明书

本发明公布了一种准切变模式多层共烧压电致动器及制备方法，包括排成2×2矩阵的四个驱动单元；驱动单元均为含内电极的多层压电陶瓷结构，均沿厚度方向交替正负极化；各驱动单元施加的电场方向均和极化方向平行或反平行；驱动单元中含内电极的多层压电陶瓷片在电路上为并联连接；按电极划分为四个d₃₁模式驱动单元或四个d₃₃模式驱动单元；底部与固定座固定连接，上表面为位移输出端；包括：d₃₆、d₃₅和d₃₄准切变模式多层共烧压电致动器，可应用于精密制造、加工、驱动等精密定位相关领域。本发明方法实现器件小型化、精密化、低成本批量化制备，能够提升器件功能的温度与结构稳定性。

技术领域

本发明涉及精密致动与定位技术，具体涉及多层结构的切变或“准切变”模式压电致动器，以及多层结构致动器的制备方法，特别是多层共烧制备方法。

背景技术

压电致动器是一种利用逆压电效应产生力、位移输出的精密作动和执行元件。压电致动器在施加电压时可产生纵向型微位移、横向型弯或切变微位移与驱动。压电致动器具有尺寸小、位移精度高、快速响应、低噪声的优势，在光学平台、光通讯、航空航天、半导体微纳加工、以及其它精密驱动领域具有广泛应用。

压电致动器又分为谐振式压电致动器和非谐振式压电致动器，其中非谐振式压电致动器包括多层压电致动器、结构放大式致动器。多层结构压电致动器可根据压电陶瓷的极化与施加电场方向的不同，可以分为厚度伸缩型压电致动器和厚度切变型压电致动器。多层致动器因其低驱动电压、大载荷负载能力、位移重复性高的优点在精密控制领域应用广泛。

多层压电致动器的制备方法通常有流延共烧法和胶黏复合法两种，流延共烧法是指通过压电陶瓷粉制备陶瓷膜、印刷电极、叠层、高温烧结等步骤一次性烧成最终想要的多层结构压电致动器；而胶黏复合法则是用树脂等胶黏剂把多个已背银压电陶瓷片和多个内电极片交替叠加粘接在一起。胶黏复合法工艺虽然简单，但存在界面位移损失。因此，多层共烧方法是目前普遍接受的多层压电致动器制备方法，因为相比胶黏致动器它几乎没有界面位移损失，位移线性度也更好，位移精度更高，以及高的温度稳定性。

对于厚度伸缩型多层压电致动器，各压电陶瓷片的极化方向与施加驱动电场的方向一致，意味着极化电场和之后的工作电场可以共用各陶瓷片厚度方向上的一对电极，因此，多层共烧不仅制备工艺容易实现，多层陶瓷的极化、施加工作电压都可以通过这一对电极实现。但目前d₁₅模式厚度切变型多层致动器却不能通过多层共烧制备，而只能采用胶黏复合法制备。这是因为其各压电陶瓷片的极化方向与施加驱动电场的方向垂直，意味着压电陶瓷片极化后，其极化用的电极需要磨掉，重新在与极化方向垂直的陶瓷片表面再低温镀电极(高温会破坏极化状态)，所以工艺上无法通过高温多层共烧一次性制备。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供可多层共烧、准切变模式压电致动器及其制备方法，这种新型的准切变模式多层结构压电致动器，其中的各压电陶瓷片极化方向与施加电场方向一致，可以通过很成熟的流延多层共烧法来制备，从而解决目前切变型压电致动器 (d₁₅模式厚度切变型多层压电致动器)无法多层共烧制备所存在的技术瓶颈问题，提高切变型压电致动器的温度稳定性和结构稳定性，减小由于胶黏界面带来的蠕变老化、回滞与界面位移损失问题，以及为今后实现多自由度致动器的多层共烧打下基础。

本发明提供了准切变模式多层压电致动器结构设计，以及相应的多层共烧制备方法。每个“准切变”致动器均为多层压电陶瓷片与内电极共烧构成的结构，且每个陶瓷片的极化方向与施加驱动电场(工作电压)的方向均沿陶瓷片的厚度方向；每个“准切变”致动器均包括面内划分成2×2阵列的四个驱动单元，其中沿对角线的一对驱动单元施加相同极性工作电压，而另一对角线的两个单元则施加极性相反的工作电压。通过这四个驱动单元沿两个对角线方向的协同伸缩驱动，可以使这个多层致动器产生所需要的“准切变”运动。

本发明提供的技术方案是：