多層壓電陶瓷也叫疊堆壓電陶瓷，是一種由幾百層陶瓷薄片以及內(nèi)部電極低溫?zé)贫傻膲弘娖骷?。相?duì)于單層壓電陶瓷擁有諸多的優(yōu)勢(shì)比如體積小，功率密度高，驅(qū)動(dòng)電壓和發(fā)熱功耗低，大位移量和輸出力，極高的位移分辨率可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的控制精度。除了良好的壓電性能，機(jī)械性能也相當(dāng)優(yōu)秀，可以承受苛刻的高溫高壓環(huán)境。所有這些特點(diǎn)使得壓電驅(qū)動(dòng)器在電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域里擁有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?
多層/堆棧壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)
多層壓電陶瓷是將很多的的陶瓷薄片，按照相鄰內(nèi)部電極不同的順序進(jìn)行交替耦合，最后燒結(jié)形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。一般而言，每個(gè)內(nèi)部電極層比陶瓷層面積小一些，極性相同的電極邊緣與疊堆結(jié)構(gòu)的邊緣平齊，另一種極性的電極向結(jié)構(gòu)的另一端靠齊，并分別連接疊堆結(jié)構(gòu)兩側(cè)的供給電極形成并聯(lián)電路，通過電極另一端的絕緣PZT材料實(shí)現(xiàn)供給正負(fù)電極的隔離?；谶@種內(nèi)部電極分布，過高的多層陶瓷結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力的不平衡而影響使用壽命。可以通過分立堆棧的方式來提高整體高度來加大位移量，一般通過玻璃珠環(huán)氧樹脂將多個(gè)壓電疊堆串接起來，位移量提升的同時(shí)維持低響應(yīng)延遲和驅(qū)動(dòng)電壓。相對(duì)于共燒堆棧，這種堆棧結(jié)構(gòu)封裝采用陶瓷阻擋層，具有更佳的耐熱和耐濕性能，更大的制作高度以及形變能力。共燒堆棧則使用環(huán)氧樹脂層進(jìn)行封裝，電極層布滿整個(gè)壓電陶瓷并于堆棧整體的四邊保持平齊，好處是可以獲得均勻的內(nèi)應(yīng)力，PZT材料的壓電性能可以完全激活。通過熔接細(xì)玻璃絲實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電極的邊緣與供給電極之間的絕緣，因此共燒壓電堆棧的高度可以超過依靠陶瓷材料絕緣的多層壓電片。
疊堆壓電陶瓷的制備
和單層壓電晶體一樣，多層壓電陶瓷制作需要經(jīng)過原料混合，高溫煅燒以及研磨一系列工序。區(qū)別在于疊堆壓電片通過流延工藝將漿料澆鑄到載體上形成薄膜坯，然后將鉑金，鈀金等貴金屬漿料按照預(yù)定圖案印刷在胚體層表面形成內(nèi)部電極，復(fù)雜的壓電驅(qū)動(dòng)器需要設(shè)計(jì)多個(gè)不同樣式。制作好的陶瓷層按照順序堆疊成壓電塊，并施加適當(dāng)壓力進(jìn)行層壓處理，保證層與層之間的一定接觸。經(jīng)過切割或研磨得到成型的多層壓電陶瓷坯體，注意切割時(shí)必須嚴(yán)格遵照內(nèi)部電極的圖樣。緩慢加熱成型的疊堆胚體到600℃左右以達(dá)到去除有機(jī)化合物的目的，蒸發(fā)掉陶瓷中殘留的添加劑，粘合劑等。為了讓壓電晶體內(nèi)部形成更加致密的結(jié)構(gòu)，需要按照一定溫度，時(shí)間等工藝要求進(jìn)行高溫整體燒結(jié)。燒結(jié)后就可以進(jìn)行外部電極的處理，與各層之間的內(nèi)部電極形成并聯(lián)電路，電極處理工藝包括絲網(wǎng)印刷或者濺射，銀電極也可以采用燒制漿料的方式。極化一般是在高溫高壓的條件下進(jìn)行，通過外部電極施加幾千伏的高電場，并控制好極化時(shí)間確保完全極化，這是壓電元件具備壓電效應(yīng)的關(guān)鍵步驟。最后按照規(guī)范進(jìn)行檢驗(yàn)和包裝，測(cè)試各種疊層壓電元件的參數(shù)比如尺寸，電容，頻率，位移，推力等。
疊堆壓電驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用
堆棧壓電陶瓷可以封裝成壓電致動(dòng)器，憑借其優(yōu)異的壓電性能以及機(jī)械特性，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體，通訊，生物技術(shù)，加工，光學(xué)，制藥的等諸多領(lǐng)域。半導(dǎo)體方面可以實(shí)現(xiàn)大行程的納米級(jí)對(duì)準(zhǔn)和定位，大推力的致動(dòng)器用于主動(dòng)減震。光電通信領(lǐng)域可用于自動(dòng)聚焦，光纖拉伸以及各類光電封裝和測(cè)試系統(tǒng)。生物醫(yī)療技術(shù)方面可以跟蹤細(xì)胞并快速排列，壓電致動(dòng)器可以幫助顯微鏡快速聚焦，還可以通過壓電系統(tǒng)進(jìn)行藥物篩選。精密加工應(yīng)用主要是利用壓電致動(dòng)器來提升金屬加工、激光焊接、金剛石切削的加工精度及使用壽命，典型的應(yīng)用有壓電快速刀具伺服系統(tǒng)，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件進(jìn)行微納級(jí)的加工。納米自動(dòng)化技術(shù)要求極高的精度和速度，壓電定位系統(tǒng)在納米裝配，納米壓印，納米接合和納米材料測(cè)試中得到廣泛應(yīng)用。壓電定位和掃描平臺(tái)已經(jīng)成為高分辨率顯微和成像的重要工具，利用平臺(tái)的超高分辨率和快速響應(yīng)調(diào)焦的特點(diǎn)，研究人員可以在最短的時(shí)間內(nèi)獲取高品質(zhì)的成像效果。隨著科學(xué)技術(shù)和制備方法的進(jìn)一步革新，未來疊堆壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的將會(huì)向小型化，集成化，多功能化以及綠色化方向發(fā)展。