叉指形電極管狀壓電元件電極制備與極化研究

曾奧柯，劉永剛，閆鵬飛，張樹良

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 洛陽 471003)

0 引言

壓電元件作為重要的微驅(qū)動系統(tǒng)，由于成本低，制備工藝完善，不易受電磁干擾，損耗低及應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，常被廣泛應(yīng)用于智能材料結(jié)構(gòu)中[1-2]，附著于壓電陶瓷的表面電極作為壓電元件的重要組成部分，既是極化電極也是工作電極，其極化工藝直接影響壓電元件驅(qū)動性能。隨著工程多樣化的要求，為了滿足市場需求，研究壓電驅(qū)動器電極制備與極化工藝已是一項(xiàng)緊迫而重要的課題。

張翱等[3]在不采用任何化學(xué)處理的前提下，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備了太陽能電池光陽極，薄膜電極附著牢固，操作過程簡單，再現(xiàn)性好，光能應(yīng)用率高。姚萌等[4]設(shè)計了一種新型無鉛壓電疊層驅(qū)動器，通過單因素方差與正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化了該驅(qū)動器的極化工藝，最終在極化時間為50 min，極化電場為6 kV/mm，極化溫度為70 ℃環(huán)境下，將壓電常數(shù)d33優(yōu)化為108 pC/N。劉永剛等[5]提出了一種將叉指形電路集成到傳統(tǒng)壓電片中的新型驅(qū)動器。研究了電壓、時間和溫度對驅(qū)動器應(yīng)變的影響，結(jié)果表明，極化電場為800 V，極化時間為1 h，極化溫度為150 ℃條件下，驅(qū)動器的極化效果最優(yōu)。張玉棟等[6]研究了極化時間、極化溫度、誘導(dǎo)極化電壓等因素對經(jīng)碳納米管改性的壓電復(fù)合材料壓電性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)極化時間為30 min，極化溫度為100 ℃，誘導(dǎo)極化電壓為600 V/cm時，該壓電復(fù)合材料最佳誘導(dǎo)電場方向與1型陶瓷柱夾角為30°方向。Mao等[7]對PZT壓電陶瓷濾波器附著銀膜前后的極化工藝進(jìn)行了研究，兩種極化工藝對該器件的驅(qū)動性能都有良好影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)分析表明，該技術(shù)同樣適用于其他壓電元件的制備。

目前，已有學(xué)者對叉指形電極的管狀壓電元件進(jìn)行了一系列研究，通過靜力學(xué)方程完成理論推導(dǎo)，建立有限元分析模型，對該壓電元件的靜態(tài)驅(qū)動性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，該壓電元件沿軸向自由應(yīng)變可達(dá)普通模型的1.55倍，能實(shí)現(xiàn)大位移輸出[8-9]。本文將在已有研究基礎(chǔ)上，對該壓電元件的電極制備與極化工藝展開實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證該壓電元件結(jié)構(gòu)的合理性和先進(jìn)性。

1 元件制備

1.1 元件特征

圖1為局部叉指形電極管狀壓電元件。管狀壓電陶瓷縱向外表面附著一層厚5 μm的叉指形電極。有電極附著區(qū)域的壓電陶瓷極化方向沿軸向分布且平行于z軸，無電極附著區(qū)域的壓電陶瓷不具備壓電效應(yīng)，局部電極可以讓驅(qū)動器的軸向位移更具有方向性和集中性。叉指形電極由附著區(qū)域?yàn)?80°的正電極與負(fù)電極分別引出一系列分支電極，沿管狀壓電陶瓷軸向一正一負(fù)相互交錯排列而成，叉指形電極平面圖如圖2所示[9]。

圖1 叉指形電極管狀壓電元件結(jié)構(gòu)圖

圖2 叉指形電極平面圖

1.2 電極印刷

材料選用機(jī)電互換率高機(jī)械損耗小的壓電陶瓷(PZT-52)，制備的壓電陶瓷柱內(nèi)徑為?17.5 mm，外徑為?20.5 mm，高度為25 mm，基本物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 PZT-52壓電陶瓷基本物理性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)化學(xué)法和粘貼法制備管狀壓電陶瓷表面的局部交叉電極，難以保證電極的尺寸精度。根據(jù)元件結(jié)構(gòu)特征，采用特制網(wǎng)紗，特制刮刀用絲網(wǎng)印刷法進(jìn)行電極制備。與化學(xué)法、粘貼法相比，絲網(wǎng)印刷法制備的叉指形電極工作溫度范圍廣，附著力及致密性好，實(shí)驗(yàn)成本低，操作簡單。實(shí)驗(yàn)選用保溫型銀漿，銀含量占總質(zhì)量的60%～70%，銀粒度尺寸為3～5 μm，粘度為60～5×105mPAS，體積電阻為2.5 mW/mm2。刮刀推按，在連接界面，銀漿內(nèi)魚鱗片狀導(dǎo)電粒子依附于陶瓷基體表面，形成面面接觸的導(dǎo)電通路，且電極固化時間短，可有效地提高實(shí)驗(yàn)效率。圖3為叉指形電極的絲網(wǎng)印刷示意圖。準(zhǔn)備銀漿和刮刀，具體流程如下：

圖3 絲網(wǎng)印刷示意圖

1) 用丙酮清洗管狀壓電陶瓷，室溫下試樣靜置干燥。

2) 在管狀壓電陶瓷表面覆蓋電極圖樣絲網(wǎng)。

3) 在電極絲網(wǎng)的一端加入銀漿。

4) 用刮刀接觸銀漿，并施加壓力，推動銀漿在管狀壓電陶瓷表面，沿絲網(wǎng)表面移動。

5) 刮刀刮至網(wǎng)紗另一端時，抬起刮刀，并揭開電極絲網(wǎng)，完成印刷。

根據(jù)這個實(shí)驗(yàn)流程可以設(shè)計相應(yīng)的卡具、操作手和金屬絲網(wǎng)模板，深入研究管狀壓電陶瓷印刷電極的集成化制作裝備。

通過改變印刷層數(shù)可直接控制銀層厚度，從而影響壓電元件驅(qū)動性能。位移結(jié)果隨著印刷層數(shù)增加，先增大后減小。適當(dāng)增加印刷層數(shù)，銀層間黏連效果好，銀粒子吸附性強(qiáng)，電極表面平整，使小于5層的銀電極歐姆性能顯著提高。但隨著印刷層數(shù)增加，銀層厚度變厚，網(wǎng)紗的孔隙處有銀漿堵塞，這一現(xiàn)象使網(wǎng)紗孔徑變小，阻礙了銀漿在網(wǎng)紗上的穿過率，電極表面形貌變差，不均勻電場增加，驅(qū)動性能降低[10]。因此，實(shí)驗(yàn)中選用了5層印刷工藝，即銀層厚度為5 μm，最大化保證試驗(yàn)結(jié)果不受銀層厚度影響。

銀漿穿過網(wǎng)紗附著在壓電陶瓷表面形成電極圖案，印刷時存在印刷圖案模糊、漏印、圖案歪斜和邊角外溢，必須由人工修繕。對模糊和漏印的電極區(qū)域使用尖頭棉簽蘸取銀漿點(diǎn)涂空缺部分；對電極圖案歪斜和邊角外溢現(xiàn)象，使用尖頭棉簽蘸取99%酒精反復(fù)擦除。再經(jīng)150 ℃保溫30 min，在粘結(jié)劑的作用下，導(dǎo)電銀漿與壓電陶瓷具有較強(qiáng)的連接強(qiáng)度。制備出的試樣電極間距為1.4 mm，電極寬度為1 mm，電極總對數(shù)為10。試樣的電極保溫?zé)Y(jié)裝置如圖4所示。

圖4 電極保溫?zé)Y(jié)

1.3 油浴極化

當(dāng)壓電元件用作驅(qū)動器時，在電極表面施加激勵電壓，壓電元件內(nèi)部正負(fù)電荷產(chǎn)生相對移動，致使該壓電元件變形對外界輸出位移，但這種機(jī)電互換功能的前提是要求壓電元件內(nèi)部具有一定的剩余極化強(qiáng)度。

考慮到焊點(diǎn)可靠性問題，實(shí)驗(yàn)采用的銀漿工作溫度為-60～175 ℃,焊絲熔點(diǎn)為183 ℃，導(dǎo)線耐溫-60～200 ℃。銀漿、焊絲、導(dǎo)線具有近似的化學(xué)性能與晶格參數(shù)，能在原子間建立強(qiáng)化學(xué)鍵，實(shí)現(xiàn)牢固連接。為了獲取最優(yōu)剩余極化強(qiáng)度，采用油浴熱極化法進(jìn)行極化實(shí)驗(yàn)，圖5為油浴極化實(shí)驗(yàn)臺。具體試驗(yàn)過程：打開油浴箱電源，設(shè)置極化溫度。將壓電元件放置在陶瓷杯中，再將陶瓷杯放置到油浴箱內(nèi)金屬網(wǎng)上。待甲基硅油加熱至極化溫度時，調(diào)節(jié)耐壓儀，持續(xù)施加極化電壓。保持一定時間后，關(guān)閉油浴箱與高壓電源，迅速取出極化試樣，放入常溫油浴池中。繼續(xù)加載極化電壓，在室溫下自然冷卻。最后關(guān)閉高壓電源，用棉布蘸取酒精擦拭試樣表面殘余甲基硅油。極化后的陶瓷電疇處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力比較大，因此需要老化24 h后才能進(jìn)行位移實(shí)驗(yàn)檢測。

圖5 油浴極化實(shí)驗(yàn)臺

2 搭建位移檢測平臺

使用粘結(jié)劑將試樣底部固定在光滑的亞克力板上，防止因該壓電元件振動造成底部松弛或脫落，進(jìn)而影響位移測量結(jié)果。將亞克力板置于十萬級天平臺上，經(jīng)減振處理，在測量源頭阻隔測量環(huán)境中的振動噪聲信號，從而提高位移測量值的準(zhǔn)確性。位移檢測平臺如圖6所示。

圖6 位移檢測平臺

信號激勵源采用美國泰克公司的Tektronix- AFG3101任意函數(shù)發(fā)生器，經(jīng)過西安安泰公司的ATA-2041高壓放大器后，一端與試樣的正負(fù)極電性連接，用于激勵電壓輸入；另一端連接示波器，用于觀察激勵信號的波形曲線及參數(shù)變化。數(shù)據(jù)采集端通過普聯(lián)TP-LINK交換機(jī)同頻連接計算機(jī)與德國米銥公司的光譜共焦控制器(IFC2451)。松緊可調(diào)螺栓將位移傳感器配套測量探頭(IFC2403-0.4)固定在支撐架上，光源對準(zhǔn)試樣。由SensorTool軟件實(shí)時監(jiān)測位移變化值，對結(jié)果進(jìn)行提取。

3 結(jié)果分析

極化時間是指改變壓電元件從自發(fā)極化方向到趨向于電場方向所需保溫保壓的時間。原子極化和電子極化的響應(yīng)頻率分別約為1013Hz和1015Hz。進(jìn)行極化實(shí)驗(yàn)時，當(dāng)極化電壓加載至所需數(shù)值時，電子與原子瞬間被極化，但電疇翻轉(zhuǎn)與取向卻需要保持一定時間。在外加電場作用下，原本指向無規(guī)則的電疇，其方向會朝著電場方向改變，若未能達(dá)到所需極化時間，撤去外電場后，壓電元件內(nèi)部電疇取向排列的一致性則較差。若達(dá)到所需時間撤去外電場后，內(nèi)部電疇排列秩序良好，取向一致性較好，剩余極化強(qiáng)度較強(qiáng)，對外表現(xiàn)為驅(qū)動性能優(yōu)越。原因是在極化開始的初期階段是180°的電疇翻轉(zhuǎn)，最后是90°電疇轉(zhuǎn)向；初期階段的翻轉(zhuǎn)瞬間完成，不會引起內(nèi)引力，而由于受應(yīng)力因素的阻礙，90°電疇轉(zhuǎn)向很難達(dá)到預(yù)先期望。為了研究極化時間對叉指形電極管狀壓電元件驅(qū)動性能的影響規(guī)律，制備了一組結(jié)構(gòu)尺寸相同的壓電元件，通過改變極化時間，逐一檢測該壓電元件的位移變化趨勢。

實(shí)驗(yàn)主要對極化時間進(jìn)行研究。本文設(shè)備最大激勵電壓僅達(dá)200 V，所以實(shí)驗(yàn)中無法施加更高階電壓，但通過一系列實(shí)驗(yàn)研究，已確定了激勵電壓對位移結(jié)果的影響規(guī)律。對電極間距0.6 mm、電極寬度1 mm的叉指形電極柱狀壓電元件施加激勵電壓分別為0、50 V、100 V、150 V、200 V的方波信號，其頻率為70 Hz。結(jié)果表明，隨著激勵電壓的逐漸增大，位移結(jié)果也隨之增大。經(jīng)過數(shù)值分析可知，在激勵電壓為200 V時，最大電場強(qiáng)度可以達(dá)到1.25 kV/mm。

固定極化電壓500 V，極化溫度110 ℃，施加幅值200 V、頻率1 Hz的正弦激勵電壓。試樣的軸向位移響應(yīng)結(jié)果如圖7所示。任一極化時間的位移響應(yīng)曲線都近似于“梭形”，形成這一現(xiàn)象的原因是由壓電材料本身的遲滯現(xiàn)象導(dǎo)致的。如極化時間為60 min時，隨著激勵電壓先增大后減小，位移結(jié)果基本呈線性變化趨勢，但歸一性較差。當(dāng)電場強(qiáng)度大于臨界場強(qiáng)時，壓電陶瓷內(nèi)部電疇開始翻轉(zhuǎn)，電場強(qiáng)度越大，電疇翻轉(zhuǎn)效果越好，剩余極化強(qiáng)度越高，繼續(xù)增大電場強(qiáng)度，大多數(shù)電疇翻轉(zhuǎn)已完成，不再進(jìn)行轉(zhuǎn)動，達(dá)到飽和狀態(tài)。在壓電陶瓷內(nèi)部存在晶格間摩擦等能量損耗因素，當(dāng)電場強(qiáng)度逐漸減小時，未達(dá)到180°轉(zhuǎn)向的電疇沒有施加較大的場強(qiáng)，無法恢復(fù)到飽和狀態(tài)。最終這些非180°的電疇導(dǎo)致了壓電元件遲滯現(xiàn)象的產(chǎn)生，即上升曲線和下降曲線無法重合。

圖7 軸向位移響應(yīng)圖

一般極化時間越長，電疇越能逐漸克服各種阻力干擾，電疇沿極化方向排列的一致性越高，極化效果越好。由圖7可見，隨著極化時間延長，該壓電元件位移結(jié)果逐漸增大，極化時間為20～40 min時，位移結(jié)果變化不明顯，說明當(dāng)極化時間小于40 min時，壓電元件極化不充分，壓電常數(shù)較小，剩余極化強(qiáng)度低，內(nèi)部電疇指向無規(guī)則，非均勻電場占據(jù)主導(dǎo)地位。40 min后，位移結(jié)果明顯增大，這表明壓電元件內(nèi)部一定數(shù)量的電疇已完成轉(zhuǎn)向，但還有小部分電疇未實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，極化不徹底。繼續(xù)延長極化時間，在60 min時，該壓電元件位移達(dá)到最大值(為0.30 μm)，且保溫保壓持續(xù)一定時間后，測得的試樣位移結(jié)果增幅較小。這說明繼續(xù)延長極化時間，試樣的壓電效應(yīng)也不會明顯提高，且降低實(shí)驗(yàn)效率，增加時間成本。

在激勵電壓達(dá)200 V時，各曲線基本達(dá)到位移峰值。極化時間為40 min、60 min時，位移峰值較明顯。由圖7可知，極化時間為20 min、30 min、50 min時，位移結(jié)果在200 V處未達(dá)到峰值，而是在200 V附近某點(diǎn)處達(dá)到峰值。這是由于不良信號夾雜導(dǎo)致的，其原因可能是電極燒結(jié)過程中產(chǎn)生了塌縮現(xiàn)象[11]。燒結(jié)是讓銀漿更好地依附在壓電陶瓷表面，與壓電陶瓷基體產(chǎn)生良好歐姆接觸。但由于燒結(jié)時溫度增高，銀漿中粘結(jié)劑融化流淌性增強(qiáng)，銀離子會向濃度較低區(qū)域擴(kuò)散，與此同時銀漿中的添加物(如玻璃粉、粘結(jié)劑等)融化、揮發(fā)，室溫冷卻后銀漿致密化，造成經(jīng)固化后的電極寬度變大，厚度減小。由于高溫中銀漿銀離子的流淌方向無規(guī)則、無秩序，所以在電極邊緣產(chǎn)生了大小不一的鋸齒、突起、毛刺等外觀缺陷。圖8為試樣的電極區(qū)銀涂層在光學(xué)顯微鏡下放大9倍的表面形貌。由圖可看到毛刺現(xiàn)象占據(jù)主要地位，這將直接導(dǎo)致不均勻場強(qiáng)大量增加，隨之驅(qū)動性能受到干擾，造成位移結(jié)果夾雜噪音信號，對于表面形貌的優(yōu)化工藝正在積極研究中。已有研究表明，極化電壓和溫度也是影響壓電驅(qū)動器性能的關(guān)鍵因素[5]。電壓和溫度對該驅(qū)動器極化性能的影響正在深入研究。

圖8 表面形貌

4 結(jié)束語

根據(jù)叉指形電極管狀壓電元件的結(jié)構(gòu)特性，實(shí)驗(yàn)研究了元件電極的制備方法，以及極化時間對元件作動位移的影響。本文采用絲網(wǎng)印刷法研究了在管狀陶瓷表面制備局部叉指形電極的流程；選擇油浴熱極化法對壓電元件進(jìn)行了極化，研究了極化時間對元件的影響。搭建位移檢測平臺分析了極化時間對元件位移的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著極化時間延長位移峰值不斷增大，設(shè)定極化電壓500 V和極化溫度110 ℃，當(dāng)極化時間為60 min時，位移峰值為0.30 μm。該研究結(jié)果為進(jìn)一步對叉指形電極管狀壓電元件的探究提供了參考。