微型PZT厚膜超聲電機定子的制備及分析*

宗浩然，王大志,※，趙奎鵬，袁鈺恒，梁世文，楊勇

（1.大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學寧波研究院，浙江 寧波 315016；3.寧波永新光學股份有限公司，浙江 寧波 315048）

0 引言

超聲電機具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、響應(yīng)速度快等優(yōu)點[1-2]，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、消費電子、機器人、微型機械[3-7]等領(lǐng)域。隨著先進制造技術(shù)、信息技術(shù)及智能裝備的集成和深度融合，要求超聲電機不斷向微型化和集成化方向發(fā)展，因此，對其提出了更高的要求以滿足特定功能需求：低驅(qū)動電壓、小體積、大驅(qū)動力和毫米級裝配空間等。

定子是超聲電機的核心部件，通常由PZT壓電陶瓷和彈性體組成[8]，其原理是基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能，實現(xiàn)驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。定子的微型化制造是超聲電機微型化制造的關(guān)鍵，目前常見的超聲電機定子分為PZT塊材定子和PZT薄膜定子兩類。PZT塊材定子是通過先將PZT塊材減薄再粘貼的方式制作，具有較大的驅(qū)動力，Xiaolong lu等[9]設(shè)計和制作了壓電塊材雙定子環(huán)形超聲電機，定子以4個10 mm×10 mm×1 mm的壓電陶瓷片作為驅(qū)動源，該壓電塊材定子的直徑為60 mm，在驅(qū)動電壓為250 V的條件下，輸出轉(zhuǎn)矩達到0.9 N·m。然而其驅(qū)動電壓高達百伏以上，定子尺寸在厘米級，由于壓電陶瓷的硬脆特性，傳統(tǒng)工藝難以將PZT塊材減薄至百微米以下，且隨著尺寸的降低，粘貼過程精度受限，難以實現(xiàn)PZT塊材定子的微型化制造。因此很多學者另辟蹊徑，利用PZT薄膜驅(qū)動具有電壓低、質(zhì)量輕、尺寸小以及制備過程易與MEMS工藝結(jié)合的特點，采用先成型薄膜再刻蝕微結(jié)構(gòu)的方法制作微型超聲電機定子，F(xiàn)eng Qin等[10]利用濺射工藝在定子上沉積了厚度為3.5 μm的PZT薄膜，采用深度反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）方法制備了直徑為4 mm的硅基壓電定子，在驅(qū)動電壓為1.5 V條件下能夠驅(qū)動質(zhì)量為0.01 g的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，但最大轉(zhuǎn)矩僅有2.63 μN·m。PZT薄膜定子具有毫米級尺寸，驅(qū)動電壓一般在10 V以下，但是輸出轉(zhuǎn)矩不足，遠小于PZT塊材定子，且刻蝕成形過程中易引入雜質(zhì)而影響薄膜的電學性質(zhì)，因此限制了其在實際中的應(yīng)用。

PZT厚膜（10～100 μm）厚度介于塊材和薄膜之間，兼具了塊材和薄膜的優(yōu)點，具有低驅(qū)動電壓、大驅(qū)動力、工作頻率范圍寬、機電耦合系數(shù)高等特點[11]，且易與MEMS工藝兼容，具備制備微型化高性能壓電器件的潛力，因此本文將高性能的PZT厚膜作為微型超聲電機定子的壓電陶瓷材料。電流體噴射打?。ê喎Q電流體噴印）技術(shù)是基于電流體動力學的非接觸式的增材制造技術(shù)[12-13]，通過電場力的作用，將噴印材料從噴頭內(nèi)“拉”至基底表面。本文采用電流體噴印工藝在彈性體上沉積了環(huán)形PZT厚膜，利用磁控濺射技術(shù)制備了分區(qū)上電極并進行極化，獲得了直徑為4.3 mm、厚度為0.6 mm的微型PZT厚膜超聲電機定子，最后對PZT厚膜和定子進行了測試和分析。

1 實驗

1.1 電流體噴印實驗平臺的搭建

電流體噴印實驗平臺由高壓直流電源、微量注射泵、微量注射器、X-Y運動平臺、工控機和觀測相機組成，如圖1所示。將彈性體固定在X-Y運動平臺上，高壓直流電源的正極接噴針，負極接彈性體基底，在噴針和基底之間形成一個穩(wěn)定的直流電場。微量注射器被夾持在微量注射泵中，微量注射器中的PZT復(fù)合懸浮液在微量注射泵的機械推力下從噴針中排出，此時在電場力、重力和液體表面張力作用下，液體在噴針出口處形成泰勒錐，產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的細小射流，將PZT沉積到基底表面。同時觀測相機對實驗進行實時觀測，保證電流體噴印過程的穩(wěn)定。最后通過程序精確控制X-Y運動平臺的運動速度和移動距離，帶動基底按照預(yù)定軌跡運動，進而實現(xiàn)圖案可控的電噴印制造。

圖1 電流體噴印實驗平臺示意圖

1.2 微型PZT厚膜定子的電流體噴印制備

為保證電噴印過程中PZT厚膜的均勻性和一致性，提高PZT厚膜與彈性體的結(jié)合力，需要對彈性體進行超聲清洗預(yù)處理。將彈性體依次浸泡在丙酮、無水乙醇和去離子水中進行超聲清洗，避免了彈性體上的灰塵、加工碎屑等雜質(zhì)對PZT厚膜的性能造成不利影響。圖2所示為預(yù)處理后的鈦合金彈性體基底。

圖2 鈦合金彈性體基底

配制了PZT復(fù)合懸浮液，利用電流體噴印實驗平臺在鈦合金彈性體基底上沉積了環(huán)形PZT厚膜，通過逐層沉積使PZT厚膜達到目標厚度。沉積完成后的PZT厚膜處于非晶態(tài)，需要將沉積有PZT厚膜的彈性體放置在馬弗爐腔中進行700℃高溫退火結(jié)晶，使PZT厚膜由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殁}鈦礦相。在此過程中，PZT厚膜和彈性體經(jīng)過高溫共燒，相互結(jié)合，形成一體化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了PZT厚膜與彈性體之間的強結(jié)合力。圖3所示為微型PZT厚膜定子的電流體噴印制備過程。

圖3 微型PZT厚膜定子的電流體噴印制備過程

PZT厚膜為多晶材料，具有各向同性結(jié)構(gòu)，不具備壓電性，因此要利用極化工藝實現(xiàn)PZT的壓電性。由于鈦合金具有良好的導(dǎo)電性，可以作為PZT厚膜的下電極。采用磁控濺射技術(shù)在PZT厚膜上沉積了厚度為50/200 nm的Ti/Pt分區(qū)上電極，其中Ti作為過渡層。最后，在PZT厚膜上施加11 V/μm的極化電壓和200 °C的極化溫度，極化30 min，獲得具有壓電性能的微型PZT厚膜超聲電機定子。

2 性能測試與分析

2.1 微型PZT厚膜定子表征

通過電流體噴印工藝制備的環(huán)形PZT厚膜整體均勻、無裂紋，高溫退火結(jié)晶后未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，上電極為七分區(qū)，濺射質(zhì)量良好，各分區(qū)電極間未出現(xiàn)短路現(xiàn)象，PZT厚膜定子外徑為4.3 mm、厚度為0.6 mm，如圖4所示。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了PZT厚膜的截面和表面微觀形貌，放大倍數(shù)為5 000倍，如圖5所示。由SEM圖可知，PZT厚膜的截面各層均勻一致、無明顯分層現(xiàn)象，PZT厚膜表面致密、孔隙率較低，晶粒間結(jié)合性較好。

圖4 微型PZT厚膜定子

圖5 PZT厚膜掃描電鏡圖

定子在工作時會產(chǎn)生高頻彎曲振動，導(dǎo)致PZT厚膜和彈性體產(chǎn)生較大的相互作用力，因此PZT厚膜和彈性體之間要有足夠的結(jié)合力。本文按照GB/T 31541-2015《精細陶瓷界面拉伸和剪切粘結(jié)強度試驗方法》中的拉伸法測試PZT厚膜和彈性體間的結(jié)合力。首先制備了尺寸為4.02 mm×4.02 mm的測試樣件，通過高強度粘結(jié)劑將PZT厚膜與金屬片粘接在一起，形成“金屬片-PZT厚膜-基底”結(jié)構(gòu)，如圖6（a）所示。利用INSTRON超高精度微力試驗機在垂直于PZT厚膜和基底界面的方向上施加均勻載荷，試驗結(jié)果如圖6（b）所示，當載荷從0增加至65 N時，曲線出現(xiàn)突降，此時部分PZT厚膜從基底脫落并粘接在金屬片表面，樣品表面裸露出鈦合金基底，經(jīng)過計算得到PZT厚膜與鈦合金基底的結(jié)合力為4.03 MPa。

圖6 拉伸法測試PZT厚膜-基底結(jié)合力

2.2 微型PZT厚膜定子振動性能測試

利用單點式激光多普勒測振儀對微型PZT厚膜定子進行振動性能測試，測試系統(tǒng)由激光多普勒測振儀、激光探頭、雙通道信號發(fā)生器、功率放大器和PC組成。將超聲電機定子固定在測試基座上，調(diào)節(jié)激光探頭位置，使激光光斑入射至定子表面測試點處，如圖7所示。然后通過雙通道信號發(fā)生器輸出頻率和幅值相同的正弦激勵信號和余弦激勵信號，經(jīng)由功率放大器將激勵信號放大為10 V，最終輸入至定子。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出頻率，對定子在75～90 kHz范圍內(nèi)進行掃頻，當輸出頻率為82.3 kHz時，定子表面測試點振幅達到最大，為212 nm，這表明82.3 kHz為定子的諧振頻率，如圖8所示。先前的工作中[15]已經(jīng)仿真得到定子工作模態(tài)的諧振頻率為80.673 kHz，實測結(jié)果與仿真結(jié)果的相對誤差為2%，驗證了振動性能測試的準確性。

圖7 激光多普勒測振實驗

圖8 激光多普勒測試的振幅曲線

超聲電機定子可以采用調(diào)節(jié)激勵電壓幅值的方式進行振幅響應(yīng)的控制。本文測試了PZT厚膜定子的振幅響應(yīng)控制性，為超聲電機定子施加頻率82.3 kHz，相位差π/2的兩相交流激勵電壓，激振出定子的工作模態(tài)，通過功率放大器調(diào)節(jié)輸入到定子的激勵電壓幅值，設(shè)定電壓范圍為2～20 V，步長為2 V，得到了定子表面振幅-電壓曲線，如圖9所示。測試結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，定子表面振幅與激勵電壓幅值呈正相關(guān)，并且線性關(guān)系較好，因此電流體噴印工藝制備的PZT厚膜定子具有良好的振幅響應(yīng)控制性。

圖9 電壓-振幅曲線

3 結(jié)束語

本文通過電流體噴印工藝在鈦合金彈性體基底上制備了環(huán)形PZT厚膜元件，獲得了微型PZT厚膜超聲電機定子，該定子的外徑為4.3 mm，厚度為0.6 mm。利用SEM觀察了PZT厚膜的截面和表面微觀形貌，結(jié)果顯示PZT厚膜的截面各層均勻一致，表面致密、孔隙率較低，采用拉伸法測試得到PZT厚膜和基底的結(jié)合力為4.03 MPa，利用激光多普勒測振儀測試了定子的振動性能，確定了定子工作模態(tài)的諧振頻率為82.3 kHz，在10 V的激勵電壓下，定子表面測試點振幅為212 nm，并且該定子可以通過調(diào)節(jié)激勵電壓進行振幅響應(yīng)控制。實現(xiàn)了小尺寸、低電壓、大驅(qū)動力的微型超聲電機定子的電噴印制造。