压电陶瓷加工

存在的问题：
压电陶瓷材料虽然具有其他材料无法比拟的优越性能，但 是它也有自己最显著的缺点。 1 脆性，表现为在外力作用下不发生显著变形即告破坏， 这一严重弱点使其在实际应用中很容易造成灾难性后果， 因此在一定程度上又限制了它的使用范围。
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除了脆性这一最大弱点外，它还存在加工极困难，很难 象普通材料一样对陶瓷进行机械加工。 3 加工成本较一般材料来说较高。
C514 n=25000r/min ap=0.45mm,v=5mm/s
C514 n=25000r/min ap=0.60mm,v=6mm/s
当转速为n=55000r/min时，机器及刀片的振动变得非常 剧烈，产品切削后的表面特性受影响因素也变得比较复杂， 即进给速度和切削深度都对它有影响，在最大进给速度时和 最大切削深度时发生素子断裂的现象，在其他两种加工参数 条件下其表面特性没有发生缺陷（如图），说明在此转速下， 表面特性主要受到进给速度和切削深度的综合影响。
表面特性： ①切割槽宽：主要用于观察加工过程中各加工因素的变化引 起刀片的振动对产品加工质量产生的影响。 ②加工表面粗糙度（Ry）。粗糙度高度参数共有三个，即轮 廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高 度Ry。本文将针对Ry进行测量研究。 ③表面电极完好状态。压电陶瓷片表面上印刷着薄薄一层银 粉，在实际应用中称这层银粉为表面电极。 ④素子的完好状态。每一片陶瓷片上要切割成192个独立的 频道，每个频道就是一个素子，如果素子存在断裂残缺状况， 则该片产品就是废品。
激光加工工艺
激光是通过原子受激辐 射发光和共振放大而形成 除具有普通光的反射、 的。除具有普通光的反射、 折射、 折射、绕射和干涉等共性 还具有： 外，还具有： 强度高， 强度高，亮度大 单色性好， 单色性好，波长谱线宽度 狭窄 相干性好， 相干性好，相干长度长 方向性好
激光加工的应用：
Biblioteka Baidu
激光加工方法可以对PZT薄膜进行图形化，其优点包括： 对很多材料均适用；加工步骤较简单，产生热量较小；可以 加工各种图形。 但是，这种方法的加工成本昂贵。
切割所用砂轮：
目前，压电陶瓷精密加工方法中常用的是金刚石砂轮磨削法。 因而金刚石砂轮的性能参数及加工时的工艺参数对所磨削的工件 表面质量、磨削力等均有决定性影响。 砂轮的选择：金刚石砂轮的性能参数主要包括磨粒的种类、 粒度、浓度和结合剂等。因此从以上参数中可选取适当的砂轮。 迪思科公司独家设计开发的可用于硬脆难加工的锯片砂轮主 要有B1A系列,NBC-Z系列及NBC-ZH系列，各自具有独特的特点。
实验结果：
实验结果：
L54MA的直观分析： 由于L54MA厚度比较薄，仅为0.14mm,加工过程中比较 容易碎裂，加工条件的改变对产品的质量影响比较大。通过 对加工表面特性及加工效率方面进行综合考虑，L54MA的最 优加工条件为主轴转速为40000r/min,切削深度为0.3mm,进 给速度为2mm/s. C514的直观分析： 由于C514产品厚度有所变厚，为0.42mm,加工过程中对 加工条件的变化抗干扰能力比较强，转速及进给速度对产品 的质量影响比较大。通过对加工表面特性及加工效率方面进 行综合考虑，C514的最优加工条件为主轴转速55000r/min, 切削深度为0.45mm,进给速度为2mm/s.
影响加工的因素：
影响加工的因素主要有：主轴转速，切削深度，进给量 等通过文献可知主轴转速，切削深度，进给量对加工质 量和加工效率的影响是随着压电陶瓷的厚度和成分不同 而不同的。因此还需要进一步的实验和研究。 这是加工的一个实例：
加工的样本：
目前压电陶瓷片（PZT）最常用的三种合成方式 有单层式,双层式，三层式。为了能够全面的进行 PZT精细加工研究，本次实验所使用的PZT分别有单 层式PZT（L54MA）,双层式PZT(C514)，三层式 PZT(S50A).三种材料的物理性能参数如下：
压电陶瓷的加工方法
——王翔
研究压电陶瓷加工方法的意义和目的：
自1880年居里兄弟发现晶体的压电效应以来， 压电器件已在水声、超声、传感技术等领域取得 了广泛的应用。随着科学技术的发展压电陶瓷材 料有了更广泛的应用：
航空航天
医疗器械 精密机床
传感器
此外它还在电子，光学等方面有广泛应用。可以说压电 材料的应用涉及到科学技术的各个领域和日常生活中，由于 其特殊用途，要求有很高的加工精度和表面质量。 要实现压电陶瓷所具备的优异性能，就必须加工成具有 一定形状精度和尺寸精度的元件，因此，研究压电陶瓷的加 工技术，特别是精密、超精密加工技术具有重大的应用价值， 有很大的现实意义。
试件切割后的表面特性研究：
以C514为代表，来说明加工参数的变化对表面特性的影响情况， 图片是用高倍电子显微镜在放大150倍的条件下拍摄。 当转速比较低（n=25000r/min）时，即使进给速度达到最大，切 削深度达到设定值的最深，产品切割后的表面特性并没有随着加工 参数的变化而有大的改变（如图）。说明在低速状况下，表面特性 主要受到产品的自身物理特性所决定，即由自身的厚度，抗拉强度 等决定。
B1A系列金属粉末结合剂锯片砂轮
①具有高耐磨性与卓越的研削能力，最适用于难加工材料的精密加工。 ②切割刀片刚性高，可以抑制斜面切割及蛇形切割等不良加工现象的发生。 ③结合剂品种丰富，可适用于玻璃、CSP等各种不同材料的切割加工 ④通过多挡细致的集中度调整，可以有效控制加工质量和使用寿命。 所以B1A系列金属粉末结合剂锯片砂轮最适用于电子元件及光学元件材料的精密切 割与开槽，也适用于切割加工玻璃及CSP等各种半导体封装元件。
加工设备：
加工设备是日本DISCO公司生产 的DFD6340全自动高速切割机， 它采用对向式双主轴结构，配置 LCD触摸式液晶显示屏和图形化 的用户操作界面。采用磨轮罩自 动开闭装置和主轴锁定装置，配 置加工条件显示屏，容易把握加 工物的加工进展和设备的各种运 行状态，在各主轴上安装了 NCS(非接触测高)。实现了从加 工物搬运、校准、切割加工到清 洗/干燥的全自动化操作，实现了 生产率的提高和成本的降低。
NBC-ZB1060-V锯片砂轮 其几何参数为：外径=50.6mm，内径=40mm，厚度 =0.03mm,金刚石磨粒直径=0.0017mm,磨粒集中度属于低集 中度。
NBC-ZH系列轮毂型锯片砂轮
①可进行高难度的斜角切割和阶梯切割等切割加工。 ②多尺寸磨粒与各种结合剂的有机结合，能够满足用户不同的加工需求。 ③使超薄型切割刀片的装卸使用更方便。 ④由于提高了操作便利性，可大幅度缩短刀片交换及设备维护所需要的时间。所以 NBC-ZH系列轮毂型锯片砂轮主要运用于硅晶片、半导体化合物晶片的切割加工，能 够获得优越的加工质量。
然而，由于这种刻蚀液在刻蚀过程中会出现难溶的白色 残渣，这种残渣会附着在待刻蚀的PZT薄膜表面，因此，随 着残渣的附着，刻蚀液对PZT薄膜的刻蚀速率会越来越低。 解决方法是，在刻蚀液对PZT薄膜刻蚀一段时间后，需要用 去离子水(DI)对样品表面进行冲洗，去除附着的残渣。 需要注意的是实验室中在刻蚀前都需对买来的块才PZT进 行减薄处理。
超精密磨削
当前的超精密磨削技术能加工出0.01um圆度，0.lum尺 寸精度和Ra0.005um表面粗糙度的圆柱形零件，平面超精 密磨削能加工出0.03um/100mm的平面。 结合具体的课题我们选择用砂轮切割压电陶瓷的工艺 对压电陶瓷进行图形化。
为了快速获得标准的矩形压电悬臂梁，我们采用切割 工艺(Dicing)对PZT和硅片同时进行图形化，如图所示， 切割深度为120µm。通过切割工艺，可以获得不同宽度 的压电悬臂梁。不同长度的压电悬臂梁可以通过对硅的 背面刻蚀窗口大小的选择来获得。
加工压电陶瓷的方法：
一 刻蚀技术 二 激光加工技术 三 机械加工方法 四 其他特种加工方法如电火花加工
刻蚀加工工艺：
刻蚀技术主要分为湿法刻蚀和干法刻蚀： 1 湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过 化学反应进行刻蚀的方法 2 干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等 离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、 原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应 或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的
刀具：超精密切削加工的特点是采用金刚石刀具。
超精密平面切削用cB烧结体 半径立 铣刀（日进工具）
尺寸最小的市售立铣刀（日进工具）直 径10微米
若要从铣削入手研究如何加工压电陶瓷则参考其对金属加工的 过程进行以下的研究： 1 切削力的特性 2 切削的最小厚度 3 切削的表面质量 4 压电材料对加工的影响 5 单位切削力的大小 6 切削温度 7 刀具刃口圆弧半径对最小切削厚度的限制 8 刀具的磨损和破损 9 切削过程中的微震动 10 积削瘤对加工的影响 11 切削用量
NBC-Z系列、NBC-ZB系列电铸型结合剂锯片砂轮
①外径达3英寸的超薄切割刀片，可适用于深切割加工和开槽加工。 ②切割刀片的厚度尺寸从0.015mm到0.3mm。 ③通过多尺寸磨粒与各种结合剂的有机结合，能够满足半导体晶片及陶瓷类元件的切 割、开槽加工。 主要运用于硅晶片、半导体化合物晶片及陶瓷类元件的窄缝的切割加工和开槽加工
相对于干法刻蚀技术而言，湿法刻蚀技术由于具有很高 的刻蚀速率、很低的成本以及很高的选择比等优点，成为 MEMS技术中非常有效的刻蚀技术。 对于刻蚀液的选择而言，由于可以将PZT视为PbO， ZrO2和TiO2的混合物，因此，湿法刻蚀液也需要由几种不 同成分构成。 文献上确定的配比为： BHF:HCL:NH4Cl:H2O刻蚀液的成分比例为：1:2:4:4,实验验 证，这种刻蚀液的刻蚀速率约为0.016µm/s，具有较少的钻 蚀效应和较高的刻蚀选择比。
超精密微细切削用加工中心试制机型
实例：单点金刚石切削（SPDT）（硅晶片的超精密加工）
单点金刚石切削的特点是采用数控方法直接控制加工轮 廓和表面粗糙度，是加工红外光学材料和磨削加工的可替代方 法。 Venkatesh 等人采用0°前角、刀尖半径为0.75mm的金 刚石刀具加工硅晶片。当切削深度为1mm、进给速度为 0.4mm/min、主轴速度为400m/min时，所得到的表面粗糙度 达到1nm。
设备的主要参数：
主轴转速范围为6000r/min~6000（r/min） X轴行程为210mm,最小步进量0.0001mm，进给速度有效范 围0.1~600(mm/s) Y轴行程为210mm，最小步进量0.0001mm Z轴有效行程为19.22mm,最小移0.00005mm,重复定位精度 0.001mm 可使用的最大磨轮刀片直径φ58mm,可加工零件最大尺寸为 203mm。
机械加工方法：
机械加工方法中主要从精密加工入手： 超精密加工主要包括： 1 超精密切削(车、铣) 2 超精密磨削 3 超精密研磨(机械研磨、 机械化学研磨、研 抛、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等)
超精密切削
随着一些关键技术，特别是空气轴承技术突破以后，以镜面 切削加工为主，面向不同零件的超精密金刚石切削机床相继 研制成功，技术水平也越来越高，在美国、日本和西欧等工 业发达国家，超精密切削加工技术日趋成熟。
S50A的直观分析： 由于S50A产品厚度最厚，为0.56mm,加工过程中对加工 条件的变化抗干扰能力最强，其加工质量受到主轴转速和进 给速度的影响比较大。通过对加工表面特性及加工效率方面 进行综合考虑，S50A的最优加工条件为主轴转速为 40000r/min,切削深度为0.60mm,进给速度为5mm/s.
干法刻蚀主要有离子束刻蚀技术(IBE)和反应离子刻蚀(RIE) 技术。其中，IBE技术可以对任何材料进行刻蚀且不会产生 钻蚀等不良效应，但是，对于刻蚀PZT材料而言，IBE技术 存在两个重要缺陷： 一 是对Pb，Zr和Ti三种物质的溅射速率不同； 二 是对PZT和光刻胶的选择比较低； 三 是高能离子束的长时间冲击会使掩模版发生碳化。 为了克服IBE技术对于PZT和光刻胶选择比较低的缺陷， RIE技术逐渐用于对PZT的刻蚀和图形化工艺之中。然而， RIE刻蚀过程中引入的化学玷污会增加PZT材料的表面粗糙 度，而且会降低被刻蚀的PZT材料的材料性能。因此，干法 刻蚀技术并不是非常有效的PZT加工技术。