锆钛酸铅( PZT )在压电陶瓷驱动器中的应用

锆钛酸铅( PZT )在压电陶瓷驱动器中的应用
1 前言
智能材料包括感知材料和驱动材料。

感知材料是一类对外界或内部的应力、应变、热、光、电、磁、辐射能和化学量等参量具有感知功能的材料,用它们可以制成各种传感器件; 驱动材料则是能对环境条件或内部状态变化作出响应并执行动作的材料, 用它们可以制成各种驱动器件。

智能器件是由智能材料所制成的、具备传感驱动功能的执行器。

智能结构则是由材料和器件所构成的, 集传感、信号处理、控制和驱动于一体的材料系统或结构体系, 它能感知环境或内部参量, 进行信息处理, 发出指令, 执行并完成动作, 从而实现自诊断、自修复和自适应等多种功能。

智能材料系统和结构的应用十分广泛, 不仅在国防尖端武器如飞机、军舰等, 而且在国民经济各个领域, 特别是高技术领域具有重大战略意义。

当前完成智能材料系统和结构的主要材料有形状记忆材料、压电材料( 含压电陶瓷、压电聚合物) 、电致伸缩材料、光纤和电流变体、磁流变体等。

利用这些机敏材料的功能, 加上巧妙精细的复合设计和制作便得到驱动、传感和控制于一体的材料系统和结构。

压电材料是智能材料系统和结构中的一类主要材料。

具有压电效应的电介质晶体在机械应力的作用下将产生极化并形成表面电荷, 若将这类电介质晶体置于电场中, 电场的作用将引起电介质内部正负电荷中心发生相对位移而导致形变。

由于压电材料具有上述特性, 故可实现传感元件与动作元件的统一。

压电材料可广泛地应用于智能材料与结构中, 特别是可以有效地用于材料损伤自诊断、自适应、减振与噪声控制等方面。

压电材料发展的类型主要有单晶、多晶、微晶玻璃、有机高分子、复合材料等。

20世纪80年代以来，随着压电陶瓷材料从二元系向三元、多元系的开发研究高潮的结束，压电材料的研究一度进展缓慢。

随着科学技术快速发展，应用需求牵引下的开发探索给予了压电材料研究的新动力，加上科技工作者在基础性研究和生产工艺改进上的不懈努力，近十几年来，新型的压电材料不断涌现出，使得压电材料研究的面貌焕然一新。

2 压电材料概述
2.1 压电效应
压电晶体中, 正负离子排列的不对称和晶胞正负电荷重心的不重合形成电偶极矩, 这些电偶极矩在某些区域内方向一致成为电畴结构, 如图1 所示。

电畴在晶体上杂乱分布, 其极化效应相互抵消, 材料内极化强度为零, 被直流电场极化后的电畴极化方向趋于同一方向, 如图2( a) 所示, 当外力作用到压电材料上引起变形, 材料内部正负束缚电荷的间距变小, 极化强度也变小, 原来吸附在电极上的自由电荷有部分被释放, 出现放电现象, 称为正压电效应;如图2( b) 所示, 在压电材料两极加一定强度电场,片内的正负电荷间距变大, 极化强度也变大, 电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象, 电荷在电路中移动可对外输出机械能, 称为逆压电效应。

压电材料的主要功能是能够把机能转变成电能,反之亦然。

表征这一功能的主要参数有: 压电系数d 、电压系数g 和机电耦合系数k 。

压电系数把极化强度P、应力R 和应变S 以及外加电场E , 通过下式连接起来
P = dR ( 1)
S = dE ( 2)
( 1) 和( 2 ) 式中的d 在数值上相等。

它描述作为驱动材料运动或振动的能力。

例如, 高功率声纳希望材料的d 值要高。

电压系数g 描述压电材料在应力作用下产生的电场, 通过介电系数ε把d和g连系
起来
g = d/ε( 3)
g所描述的是作为传感器材料在低应力作用下可产生高的电压信号的能力。

机电耦合系数k 定义为, k2表示电能转变为机械能或者机械能转变为电能的分数。

因为转变从来是不完全的, 故k 和k2总是小于1 。

2.2 压电材料类别
压电材料按晶体结构分有钙钛矿结构、钨青铜结构、铋层状结构等( 如图3所示) ; 按用途或功能分有发射型和接收型压电材料; 按性状分有粉体、纤维、薄膜及块体材料; 按性质和组成组元分为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物和复合材料。

图3 压电材料的晶体结构
2.3压电材料的制备方法
针对不同的压电材料, 要根据其应用场合、特性和成本来选择合适的制备方法, 其制备方法按制备时出现的物相分为固相法、液相法和气相法。

2.3.1 固相法
采用传统固相法制备P ZT 时, 烧结温度高于1200度会引起PbO的挥发, 难以控制化学计量比,导致材料的微观结构和电学性能难以控制, 适用于原料便宜、工艺简单及对压电材料性能要求不高的场合。

2.3.2 液相法
液相法制备压电材料是目前最常用的方法, 包括共沉淀法、水热合成法、溶胶- 凝胶法、醇盐水解法等。

共沉淀法可实现低温烧结, 能得到比理论密度更高密度的压电材料。

共沉淀法采用700度程序升温焙烧法制得粒径为60n m 的BaT iO3 粉体; 美国华盛顿大学的科研人员用共沉淀法结合冷冻干燥工艺, 合成了纳米级PZ T粉体, 以800度进行烧结获得理论密度98% 的材料。

有研究以N b2 O 5 和T a 2 O5 为前驱反应物,采用水热法和溶剂热法两种合成工艺制备了K T aN b O3 陶瓷粉体, 烧结后的压电陶瓷耦合系数达到0 . 5 , 压电系数d 33 在150 ~ 450p C/ N 之间, 但水热法需要较高的温度和压力, 设备投资大, 限制了该法的应用。

溶胶- 凝胶法是液相法中最常用的一种方法。

用溶胶- 凝胶结合各种成型、烧结工艺, 可以制备出高性能的薄膜。

2.3. 3 气相法
气相法适合制备纳米级压电薄膜, 主要有物理气相沉积和化学气相沉积。

其中, 溅射法是最常用的方法。

对靶溅射法在S iO2 / S i基板上沉积P t/ T i 底电极, 用射频( RF ) 溅射法制备出厚度约800n m 的PZ T 薄膜。

化学气相沉积可以精确地控制反应产物的化学组成, 掺杂方便, 但难以获得合适的气源材料, 不适合低成本、大量制备薄膜, 实际中采用较少。

3 PZT压电陶瓷驱动器的原理、结构及特性
压电陶瓷驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应, 在压电陶瓷的适当方向加上电场,而产生相应的位移和力的器件。

如图4所示, 当在已极化的压电陶瓷上施加电压时,则沿极化方向伸长（纵效应）,沿垂直极化方向缩短（横效应）。

压电陶瓷驱动器有利用压电纵效应的叠层型和利用压电横效应的双膜片弯曲型。

4
由于压电驱动器是用于位移控制、动力源的器件, 所用材料必须能在较小的电场下产生大的应变和应力, 而且电能转换成机械能的效率要高, 所以最重要的是采用压电常数d大的软性材料, 这样可加大的电场(约1 M V/m ) , 产生大的应变( △l/ l约10 -2 )、应力(约9.8MPa) 。

另一方面, 因应变量大, 对绝缘强度和机械强度的要求也高。

目前, 压电陶瓷驱动器所用材料, 主要是锆钛酸铅( PZT ) 为基的压电陶瓷材料。

3.1叠层型压电陶瓷驱动器
生成压电陶瓷瓷驱动器虽有上述优良性能, 但因驱动电压高达1kV以上，设置控制回路比较困难, 若多片并联叠层, 如图5所示，内部电极间距离能短到10μm左右, 则驱动电压可降到100V以下, 对于利用压电纵效应产生的形变来说, 一片陶瓷有0.3μm左右的变形, 多层叠层可得几十微米变形。

图5 叠层型压电驱动器
3.2双膜片型压电陶瓷驱动器
叠层型在响应特性和产生力方面优越,其缺点是位移量小。

因此, 要得到几百微米大的位移量, 就要用双膜片弯曲型。

双膜片弯曲型是将二片压电陶瓷贴合在一起, 一片伸长时, 另一片缩短, 产生的形变与所加电场成正比, 这种双膜片弯曲型又分串联和并联两种型式（图6所示）, 二者主要特点比较列于表1。

由表可知, 并联压电双膜片弯曲型对同一电压位移量大。

图6 双膜片弯曲型
表1 压电双膜片型特点比较
3.3压电陶瓷驱动器性能优越性
1 ) 采用厚膜叠层技术, 不用粘结剂,获得了一体烧结的固体元件。

2) 通过引入IC 工艺和绝缘技术, 内部电极与元件断面一致, 应力分布均匀, 从而提高了破坏极限。

3) 压电陶瓷层的薄膜化, 电极间距可缩到10μm左右, 能实现低电压驱动。

4) HIP技术(等静热压烧结技术)的引入,可获得高密度, 机械强度比普通烧结体提高约30 % 。

5) 电压驱动, 不会产生电磁噪声。

6) 位移的经时变化、漂移小, 温度稳定性好。

7) 可大量生产, 成本低。

4 压电陶瓷驱动器的应用
压电陶瓷驱动器的应用范围很广, 现将其主要应用范围与应用实例列于表2, 这些应用大致可分为以下四类。

表2 叠层压电驱动器的应用
4.1 在机械方面的应用
目前已获得实用的有冲击式点阵打印机的打印头, 它是由叠层压电驱动器与位移放大机构组合而成的。

这种打印机头, 电源电压90 V , 位移放大率约30 倍, 端位移约为600μm，可以得到100字/s以上的高速印字性能, 同时具有低功耗、低发热等特点。

另外还用于半导体制造和超精密切削加工等方面的超精密定位装置,其位移量多在亚微米范围, 考虑到滞后现象和直线性, 必须注意闭合回线控制。

4.2 在动力方面的应用
在压电风扇、压电阀、压电泵和超声马达等动力装置中的应用, 主要是利用压电驱动器的耗电低和可精密控制等特点。

这些器件位移量必须是几百微米, 多利用双膜片弯曲型, 其中作流量控制用的压电阀已接近实用。

4.3 在光学方面的应用
目前, 正广泛开展压电陶瓷驱动器在光通信系统等新领域中的应用研究, 如激光用反射镜的微小位置的确定、光纤对接耦合器、光纤偏振控制器等。

4.4 在传感器方面的应用
叠层型压电驱动器与一般的压力传感器比较, 可用小的压力得到大的输出电压, 因此可作为高灵敏度的压力传感器和加速度传感器。

目前, 压电陶瓷驱动器有的已进入实用阶段, 有的正处于研究阶段, 在科学技术的各个领域, 其应用将越来越广。

实现压电驱动器的实用化和商品化, 在超精密微位移的控制和各种动力源方面的应用会得到更迅速的发展。