准切变模式多层共烧压电致动器及其多层共烧制备方法技术

本发明专利技术公布了一种准切变模式多层共烧压电致动器及制备方法，包括排成2×2矩阵的四个驱动单元；驱动单元均为含内电极的多层压电陶瓷结构，均沿厚度方向交替正负极化；各驱动单元施加的电场方向均和极化方向平行或反平行；驱动单元中含内电极的多层压电陶瓷片在电路上为并联连接；按电极划分为四个d31模式驱动单元或四个d33模式驱动单元；底部与固定座固定连接，上表面为位移输出端；包括：d36、d35和d34准切变模式多层共烧压电致动器，可应用于精密制造、加工、驱动等精密定位相关领域。本发明专利技术方法实现器件小型化、精密化、低成本批量化制备，能够提升器件功能的温度与结构稳定性。

【技术实现步骤摘要】
准切变模式多层共烧压电致动器及其多层共烧制备方法
本专利技术涉及精密致动与定位技术，具体涉及多层结构的切变或“准切变”模式压电致动器，以及多层结构致动器的制备方法，特别是多层共烧制备方法。
技术介绍
压电致动器是一种利用逆压电效应产生力、位移输出的精密作动和执行元件。压电致动器在施加电压时可产生纵向型微位移、横向型弯或切变微位移与驱动。压电致动器具有尺寸小、位移精度高、快速响应、低噪声的优势，在光学平台、光通讯、航空航天、半导体微纳加工、以及其它精密驱动领域具有广泛应用。压电致动器又分为谐振式压电致动器和非谐振式压电致动器，其中非谐振式压电致动器包括多层压电致动器、结构放大式致动器。多层结构压电致动器可根据压电陶瓷的极化与施加电场方向的不同，可以分为厚度伸缩型压电致动器和厚度切变型压电致动器。多层致动器因其低驱动电压、大载荷负载能力、位移重复性高的优点在精密控制领域应用广泛。多层压电致动器的制备方法通常有流延共烧法和胶黏复合法两种，流延共烧法是指通过压电陶瓷粉制备陶瓷膜、印刷电极、叠层、高温烧结等步骤一次性烧成最终想要的多层结构压电致动器；而胶黏复合法则是用树脂等胶黏剂把多个已背银压电陶瓷片和多个内电极片交替叠加粘接在一起。胶黏复合法工艺虽然简单，但存在界面位移损失。因此，多层共烧方法是目前普遍接受的多层压电致动器制备方法，因为相比胶黏致动器它几乎没有界面位移损失，位移线性度也更好，位移精度更高，以及高的温度稳定性。对于厚度伸缩型多层压电致动器，各压电陶瓷片的极化方向与施加驱动电场的方向一致，意味着极化电场和之后的工作电场可以共用各陶瓷片厚度方向上的一对电极，因此，多层共烧不仅制备工艺容易实现，多层陶瓷的极化、施加工作电压都可以通过这一对电极实现。但目前d15模式厚度切变型多层致动器却不能通过多层共烧制备，而只能采用胶黏复合法制备。这是因为其各压电陶瓷片的极化方向与施加驱动电场的方向垂直，意味着压电陶瓷片极化后，其极化用的电极需要磨掉，重新在与极化方向垂直的陶瓷片表面再低温镀电极(高温会破坏极化状态)，所以工艺上无法通过高温多层共烧一次性制备。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供可多层共烧、准切变模式压电致动器及其制备方法，这种新型的准切变模式多层结构压电致动器，其中的各压电陶瓷片极化方向与施加电场方向一致，可以通过很成熟的流延多层共烧法来制备，从而解决目前切变型压电致动器(d15模式厚度切变型多层压电致动器)无法多层共烧制备所存在的技术瓶颈问题，提高切变型压电致动器的温度稳定性和结构稳定性，减小由于胶黏界面带来的蠕变老化、回滞与界面位移损失问题，以及为今后实现多自由度致动器的多层共烧打下基础。本专利技术提供了准切变模式多层压电致动器结构设计，以及相应的多层共烧制备方法。每个“准切变”致动器均为多层压电陶瓷片与内电极共烧构成的结构，且每个陶瓷片的极化方向与施加驱动电场(工作电压)的方向均沿陶瓷片的厚度方向；每个“准切变”致动器均包括面内划分成2×2阵列的四个驱动单元，其中沿对角线的一对驱动单元施加相同极性工作电压，而另一对角线的两个单元则施加极性相反的工作电压。通过这四个驱动单元沿两个对角线方向的协同伸缩驱动，可以使这个多层致动器产生所需要的“准切变”运动。本专利技术提供的技术方案是：准切变模式多层共烧压电致动器，为多层压电陶瓷片与内电极共烧构成的长方体多层结构，其结构包括排成2×2矩阵的四个驱动单元，每个驱动单元为长方体且各驱动单元内部也由小的长方体多层结构组成。每个小长方体块分别具有设定的极化方向、多层结构排布方向和电压施加方向；每个驱动单元中含内电极的多层压电陶瓷片在电路上为并联连接；各驱动单元均为含内电极的多层压电陶瓷结构，且各驱动单元中的压电陶瓷片均沿厚度方向交替正负极化；各驱动单元所施加的电场方向均和陶瓷片的极化方向是平行或反平行，而不是垂直；沿对角线的一对驱动单元施加相同极性的工作电压，而对另一对角线的两个驱动单元则施加极性相反的工作电压；通过四个驱动单元沿两个对角线方向的协同伸缩驱动，使得多层共烧压电致动器的位移输出端产生所需要的“准切变”运动。驱动单元从左上按逆时针方向分别编号为A1～A4。根据驱动单元极化方向、外加电场方向，以及所产生的应变的不同，准切变模式多层共烧压电致动器分为三种：d36模式“准切变”多层共烧结构致动器、d35模式“准切变”致动器、d34模式“准切变”致动器。其中，z方向默认为极化方向，x、y方向为按照右手正交坐标系确定坐标方向，对d36模式、d35模式、d34模式准切变多层共烧结构致动器与固定座接触固定面分别为y面、z面、y面，根据弹性力学规定，x、y、z方向分别对应角标1、2、3，角标4、5、6分别指两个主应变所在平面的剪切应变，如4方向为y、z面发生切变方向，5方向为x、z面发生切变方向，6方向为x、y面发生切变方向d36模式准切变多层共烧结构致动器的驱动单元按照电极划分为四个d31模式驱动单元；驱动单元A1、A3接正电压，驱动单元A2、A4接负电压，驱动电压为低频矩形波电压或低频正弦波驱动电压；结构致动器的底部与一个固定座B固定连接，上表面为位移输出端；压电陶瓷的d31效应使得A1、A3驱动单元沿x方向(1方向)缩短，A2、A4沿x方向(1方向)伸长；压电陶瓷的d31效应还使得A1、A3驱动单元沿y方向(2方向)缩短，A2、A4沿y方向(2方向)伸长；但固定座B接触面固定使得结构致动器的自由端沿y方向(2方向)的伸缩相互抵消，而沿x方向(1方向)的伸缩叠加；即致动器的主切变方向为沿x方向(1方向)的切变；驱动时，沿对角线方向的两个单元A1和A3施加相同的正电压或负电压，与之对应，另一对角线上的两个驱动单元A2、A4施加负电压或正电压，导致A1、A3单元所在的对角线伸长或缩短，而另一对角线相应缩短或伸长；产生不对称应变的协同作用，进一步导致致动器产生一个面内“畸变”；致动器底边固定，面内“畸变”成为“准切变”，也称为d36面切变(d36faceshear)，施加电场是沿3方向(极化方向，z方向)，切变是在面内6方向(即方向1-2所在的面内的切变)；利用压电陶瓷四个驱动单元的d31变形和协同驱动作用，使多层结构致动器产生一个d36面内“准切变”运动(d36面切变)。注意图2中x-y-z坐标/方向表示致动器的空间坐标，而1-6坐标/方向表示弹性力学中的应变坐标，下同。d35模式“准切变”多层共烧结构致动器的驱动单元按照电极划分为四个d31模式驱动单元；驱动单元A1、A3接正(或负)电压，A2、A4接负(或正)电压，驱动电压为低频矩形波电压或低频正弦波驱动电压；压电陶瓷的d31效应使得A1、A3驱动单元沿x方向(1方向)缩短，A2、A4沿x方向(1方向)伸长；注意压电陶瓷的d33效应使得A1、A3驱动单元沿z方向(3方向)伸长、A2、A4沿z方向(3方向)缩短；与B接触面固定使得z方向(3方向)的伸缩相互抵消，而x方向(1方向)叠加；致动器产生沿x轴方向(1方向)的“准切变”位移δx，即致动器的主切变方向是沿x轴方向的切变。驱动时，沿对角线方向的两个单元A1和A3施加相同的正(或负)电压，另一对角线上的两个驱动单元A2、A4施加负(或正)电压，导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种准切变模式多层共烧压电致动器，为长方体多层结构，包括排成2×2矩阵的四个驱动单元；每个驱动单元均为长方体；每个驱动单元内部也由小的长方体多层结构块组成；每个小长方体多层结构块分别具有设定的极化方向、多层结构排布方向和电压施加方向；每个驱动单元均为含内电极的多层压电陶瓷结构，且各驱动单元中的压电陶瓷片均沿厚度方向交替正负极化；各驱动单元所施加的电场方向均和陶瓷片的极化方向是平行或反平行；每个驱动单元中含内电极的多层压电陶瓷片在电路上为并联连接；多层共烧压电致动器的底部与一个固定座B固定连接，上表面为位移输出端；沿对角线的一对驱动单元施加相同极性的工作电压，而对另一对角线的两个驱动单元则施加极性相反的工作电压；通过四个驱动单元沿两个对角线方向的协同伸缩驱动，使得位移输出端产生所需要的“准切变”运动，由此成为准切变模式多层共烧压电致动器。

【技术特征摘要】
1.一种准切变模式多层共烧压电致动器，为长方体多层结构，包括排成2×2矩阵的四个驱动单元；每个驱动单元均为长方体；每个驱动单元内部也由小的长方体多层结构块组成；每个小长方体多层结构块分别具有设定的极化方向、多层结构排布方向和电压施加方向；每个驱动单元均为含内电极的多层压电陶瓷结构，且各驱动单元中的压电陶瓷片均沿厚度方向交替正负极化；各驱动单元所施加的电场方向均和陶瓷片的极化方向是平行或反平行；每个驱动单元中含内电极的多层压电陶瓷片在电路上为并联连接；多层共烧压电致动器的底部与一个固定座B固定连接，上表面为位移输出端；沿对角线的一对驱动单元施加相同极性的工作电压，而对另一对角线的两个驱动单元则施加极性相反的工作电压；通过四个驱动单元沿两个对角线方向的协同伸缩驱动，使得位移输出端产生所需要的“准切变”运动，由此成为准切变模式多层共烧压电致动器。2.如权利要求1所述准切变模式多层共烧压电致动器，其特征是，驱动单元从左上按逆时针方向分别编号为A1～A4；驱动单元的极化方向、外加电场方向、所产生的应变不同；将驱动单元的极化方向记为z方向，按照右手正交坐标系确定x方向与y方向的坐标方向；x、y、z方向分别对应角标1、2、3；x、y、z方向中的两个主应变所在平面的剪切应变方向分别对应角标4、5、6；4方向为y、z发生切变方向，5方向为x、z发生切变方向，6方向为x、y发生切变方向；按照电极划分，所述四个驱动单元为四个d31模式驱动单元或四个d33模式驱动单元；所述准切变模式多层共烧压电致动器具体包括三种模式：d36准切变模式多层共烧压电致动器、d35准切变模式多层共烧压电致动器、d34准切变模式多层共烧压电致动器。3.如权利要求2所述准切变模式多层共烧压电致动器，其特征是，d36准切变模式多层共烧压电致动器具体为：按照电极划分，所述四个驱动单元为四个d31模式驱动单元；驱动单元A1、A3接正电压，驱动单元A2、A4接负电压；驱动电压为低频矩形波电压或低频正弦波驱动电压；d36准切变模式多层共烧压电致动器与固定座B的接触固定面为y方向；压电陶瓷的d31效应使得A1、A3驱动单元沿x方向缩短，A2、A4驱动单元沿x方向伸长；还使得A1、A3驱动单元沿y方向缩短，A2、A4驱动单元沿y方向伸长；固定座B接触面固定使得致动器的自由端沿y方向的伸缩相互抵消，而沿x方向的伸缩叠加；由此使得致动器的主切变方向为沿x方向的切变；驱动时，沿A1和A3驱动单元的对角线方向施加相同的正电压或负电压，对应地沿驱动单元A2、A4对角线方向施加负电压或正电压，使得A1和A3驱动单元所在的对角线伸长或缩短，而A2和A4驱动单元所在的对角线相应缩短或伸长，由此产生不对称应变的协同作用，进一步使得致动器产生一个面内“畸变”；施加电场沿极化方向z方向；致动器底边固定，面内“畸变”成为“准切变”，切变为在面内6方向，也称为d36面切变；利用压电陶瓷四个驱动单元的d31变形和协同驱动作用，使多层结构致动器产生一个d36面内“准切变”运动，由此构成d36准切变模式多层共烧压电致动器。4.如权利要求2所述准切变模式多层共烧压电致动器，其特征是，d35准切变模式多层共烧压电致动器具体为：四个驱动单元按照电极划分为四个d31模式驱动单元；驱动单元A1、A3接正电压，A2、A4接负电压；或者驱动单元A1、A3接负电压，A2、A4接正电压；驱动电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：董蜀湘，高翔宇，李占淼，杨继昆，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11