一种超微细压电陶瓷阵列结构复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了属于功能陶瓷材料及其制备技术领域一种超微细压电陶瓷阵列结构复合材料及其制备方法。制备工艺为：采用金属醇盐回流法制备溶胶前躯体，使用硅微加工技术制备硅模板，然后通过溶胶填充模板工艺以及后续的热解和退火处理过程制备长、宽为５～１００微米、孔高为１～５００微米、间距为１０～２００微米的压电陶瓷微柱阵列，最后将微柱阵列与聚合物复合，得到１－３型压电陶瓷／聚合物的复合材料。与传统的机械切割工艺相比，本发明专利技术可以制备较小尺寸、阵列周期性好的陶瓷微柱，最小柱宽可达７μｍ，适合于微机电系统（ＭＥＭＳ）；与热压、激光切割等阵列制备工艺相比，本发明专利技术的设备条件简单，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了功能陶瓷材料及其制备
一种压电陶瓷微柱阵列结构复合材料及其制备方法。
技术介绍
压电陶瓷材料是一种具有压电效应的陶瓷材料，如钛酸钡(BaTi03)陶瓷、钛酸铅(PbTi03)陶瓷等，近年来得到广泛应用。例如，用于电声器件中的扬声器、送话器、拾声器等.，用于水下通讯和探测的水声换能器等；用于雷达中的陶瓷表面波器件；用于导航中的压电加速计和压电陀螺等；用于通ifl设备中的陶瓷滤波器等；用于精密测量中的陶瓷压力计等；用于红外技术中的陶瓷红外热电探测器；用于超声探伤、超声清洗等；用于高压电源的陶瓷变压器。但实际应用中，由于单相陶瓷存在的一些缺点，使其作为换能器类材料的应用受到限制。如，各项异性小，使得径向振动对厚度振动的干扰大；声阻抗大，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因素高，带宽窄；静水压灵敏度低等。由一维连通的压电陶瓷相平行排列于三维连通的聚合物基体中形成的1-3型陶瓷/聚合物压电复合材料，具有较低的声阻抗和机械品质因素、较高的机电耦合系数和压电电压常数，可以弥补单相陶瓷的不足，在水听器、生物医学成像、无损检测等诸多方面被广泛的用作换能器。陶瓷微柱阵列的制备是1-3型压电复合材料制备过程中的关键技术。目前，与陶瓷微柱阵列的制备相关的方法主要有机械切割法、激光切割法、反应离子刻蚀法、热压法等。其中机械切割法成本低、操作简单，应用最为广纟乏，但由于陶瓷材料的脆性以及刀片厚度的限制，利用该法很难加工出高纵横比的微细陶瓷柱；热压法能制备出高精度的陶瓷微柱，但热压条件对设备要求高。曝光技术和刻蚀技术是两种常见的硅微加工技术。其中，光学曝光的目的就是将掩模图形转移到衬底上。它的工艺包括清洗、烘烤、气氛涂覆增强黏附性试剂、涂覆抗反射层、涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、等离子体去残胶和坚膜过程，作为一个整体，各个工艺环节之间存在着密不可分的关系，且均对曝光结果有重要影响。除光学曝光技术之外，近几十年来，还发展了极紫外光刻技术、电子束曝光技术、离子束曝光技术和X射线曝光技术。但是，曝光工艺仅仅是将平面图形复制在光刻胶上，为得到实际的图型结构，必须在光刻胶的掩蔽下腐蚀掉一定的薄膜或硅本身。腐蚀工艺的基本内容就是把不需要的物质利用化学溶液或者其它方法除去。腐蚀技术一般分为湿法刻蚀技术和干法刻蚀技术。湿法刻蚀主要是指利用化学溶液，通过化学反应将不需要的薄膜去除掉的图形转移方法。干法刻蚀则是指利用具有一定能量的离子或原子通过离子的物理轰击或者化学腐蚀，或者两者的协同作用，以达到刻蚀的目的，干法刻蚀包括非等离子体刻蚀和等离子体刻蚀。目前常用的等离子体源有反应离子刻蚀(RIE)、电子回旋共振源(ECR)，感应耦合等离子体源(ICP)和螺旋波(Helicon)源，其中lCP由于结构简单，成本较低，是主流技术之一。电感耦合-深硅刻蚀法(ICP-DRIE)实际上就是反应气体在真空腔中被射频电源激发离化，再在射频电场的加速下向底部电极(基片存在位置)运动，轰击基片并与基片反应，产生挥发性气体，从而刻蚀硅片的过程。在深硅刻蚀中，SF6气体以及C4Fs气体是脉冲激发的 一次QF8脉冲在整个结构上沉积一层合体保护膜。通过离子轰击，SF6刻蚀去掉槽底的保护膜，但是侧壁不受轰击，仍受保护(仅被某些化学成分轻微地刻蚀掉一些)。再一次的C4Fs脉冲会形成新一层的保护膜，而SF6脉冲随后又被注入反应器中，再一次刻蚀去掉槽底的保护膜，而侧壁仍受保护。如此多次脉冲之后，可得各向异性的深刻蚀结果。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供。该方法制备得到的陶瓷微柱阵列具有周期性好，纵横比大的特点，其最小柱宽可达7pm。所述超微细压电陶瓷阵列结构复合材料，其特征在于，微米级压电陶瓷微柱有序阵列分布于环氧树脂聚合物基体。所述超微细压电陶瓷阵列结构复合材料的制备方法，结合了溶胶-凝胶法和硅模板加工工艺，使用微型模板法制备微米级压电陶瓷微柱。所述方法包括如下步骤1) 采用钾、钠、铌的乙醇盐为原料，按化学式K^N^Nb03配料，在容器中充分回流、螯合3 4h后，减压蒸馏得到浓度为0.1 0.5M的铌酸钾钠溶胶；2) 在干净的硅片上涂覆正型光刻胶，用紫外曝光法和电感耦合-深硅刻蚀法加工硅片，得到具有周期性排布孔的硅模板；3) 用丙酮和浓硫酸、双氧水混合液分别清洗模板后，将模板浸入RCA-1溶液中，将RCA-1溶液加热到100 120°C， 10-15min后用去离子水冲洗，得到干净硅模板待用；4) 把硅模板放置在一个可抽真空的容器中，将铌酸钾钠溶胶滴加到硅模板表面后，利用机械泵对容器抽真空，再烘干溶胶至其凝胶化，200 60(TC下将带凝胶表层的模板放入快速退火炉中热解1 20min，抛光除去模板表层物质后重复 填充过程和热解过程，最后在500 900'C下将热解后带氧化物表层的模板放入快 速退火炉中退火3 10min，得到模板硅孔中的铌酸钾钠微柱；5) 抛光除去模板表层物质后，采用反应离子刻蚀法除去微柱周围的硅，得 到基于硅底板的陶瓷微柱阵列；6) 在减压下，用环氧树脂填充陶瓷微柱间隙，得到压电陶瓷阵列结构复合 材料。所述硅模板的孔长、孔宽为5 100微米，孔高为1 500微米，孔间距为 10 200微米。所述浓硫酸、双氧水混合液中浓硫酸、双氧水体积比为2: 1。 所述RCA-1溶液为25wt。/。的氨水溶液、30 wt。/。的双氧水和去离子水的混合液。所述陶瓷微柱阵列的柱长、柱宽为5 100微米、柱高为1 500微米，柱间 距为10~200微米。本专利技术的优点在于(1)既弥补了传统方法制备出的陶瓷柱低精度、低纵横 比的不足，又比近年来发展出的新工艺设备要求低、操作简单；(2)退火时间短，退火温度低。 附图说明图1为上、下电极功率分别为600W和45W、反应气(SF6)和保护气(C4F8) 流量分别为96sccm和92sscm、反应气和保护气时间比为10s: 10s、总刻蚀时间 为40min条件下刻蚀的硅模板的表面和截面形貌(a)表面形貌(b)截面形貌。图2为KNN阵列结构复合材料的制备流程图。图3为0.3MKNN溶胶重复填充模板3次、40(TC热解、83(TC退火后得到的 KNN微柱阵列的表面和截面形貌(a)表而形貌(b)截面形貌。图4为0.3MKNN溶胶重复填充模板3次、40(TC热解、830。C退火后得到的 KNN微柱的XRD图谱。图5为0.4MKNN溶胶填充模板1次、40(TC热解、83(TC退火后得到的KNN 微柱的位移-电压曲线。图6为0.4M KNN溶胶填充模板1次、400。C热解、83(TC退火得到的KNN 阵列与环氧树脂复合后的复合物的表面形貌。图7为0.4MKNN溶胶重复3次填充小孔宽的硅模板、40(TC热解，83(TC退火后得到的KNN微柱阵列的形貌。具体实施例方式采用钾(K)、钠(Na)、铌(Nb)的乙醇盐为原料，按K。.5Nao,5Nb03化学 式配料，充分回流、螯合3 4h后，减压蒸馏得到浓度为0.1 0.5M的铌酸钾钠 (KNN)溶胶。将溶胶用称量瓶密封保存，稳定的溶胶用于后续实验。在清洗干净的硅片上涂覆一层正型光刻胶(BP212)，在掩模板下曝光，显影 处理后，放入ICP-2B型刻蚀仪器的样品台中，以SF6为反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超微细压电陶瓷阵列结构复合材料，其特征在于，微米级压电陶瓷微柱有序阵列分布于环氧树脂聚合物基体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李敬锋，徐莹，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]