氧化鋁基板上pnn-pzn-pzt多層并聯壓電厚膜的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于一種以成分為特征的陶瓷組合物，特別涉及一種在A1203基板上制備 PNN-PZN-PZT(鈮鋅-鈮鎳-鋯鈦酸鉛）多層并聯壓電厚膜的方法。
【背景技術】
[0002] 低溫共燒陶瓷（LowTemperatureCo-firedCeramic，簡稱LTCC)是集互聯、無源 元件和封裝與一體的多層陶瓷制造技術，它采用厚膜材料，根據預先設計的結構，將電極材 料、基板、電子器件等在900°C以下共燒，從而制成模塊化集成器件或三維陶瓷基多層電路。 近年來隨著對大功率壓電材料與器件的要求的不斷提高，壓電陶瓷器件向體積小、驅動電 壓低、位移量大、能集成化的方向發展，低溫共燒多層壓電陶瓷的研究成為熱點。
[0003] 傳統的PZT陶瓷器件往往用粘結劑將壓電陶瓷片粘結成多層壓電陶瓷，由于受單 片陶瓷厚度的限制，無法實現小型化、集成化，多層元器件中的粘結劑與陶瓷片結合不緊 密，易分離造成性能惡化，甚至出現斷裂，無法長期使用。然而，低溫共燒陶瓷層間通過與內 電極直接結合而不再需粘結劑粘合，結合緊密性大大提高，陶瓷層間的分層現象得到有效 地克服，大大地提高了器件的使用壽命，器件的蠕變性能也得到很大的改善。此外，低溫燒 結可以有效地避免PbO的揮發以及貴金屬電極的使用，降低能耗、減輕環境污染、使產品成 本降低。綜上所述，低溫共燒多層壓電陶瓷具有體積小、集成性高、工作電壓低、響應時間 短、位移量大的優點，被廣泛應用于疊層升降壓變壓器和疊層壓電陶瓷微位移器等器件的 制備。
[0004] 多層并聯壓電厚膜的常用制備方法之一為絲網印刷法，它與其他方法（流延法、 水熱法、溶膠凝膠法）相比，具有與MEMS技術完全兼容，厚度可以控制且厚度適宜，設備簡 單、原料便宜、成本較低，所得壓電厚膜致密度高，適合于大批量生產，可重復性好的優點。 但是由于絲網印刷法制備的厚膜致密性較差，氣孔率較高，單層厚膜的性能較低，制約了其 應用性。多層并聯壓電厚膜性能呈層數倍線性增加，有效解決了單層厚膜性能較差的問題。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的，是克服現有技術的絲網印刷法制備的壓電厚膜致密性較差、氣 孔率較高、單層厚膜的性能較低、制約其應用性的缺點，提供一種在A1203基板上制備 PNN-PZN-PZT多層并聯壓電厚膜的方法，以在較小厚度下獲得高壓電常數、高應變、低驅動 電壓的壓電材料；另外采用銀漿作為電極材料，有效降低生產成本。
[0006] 本發明通過如下技術方案予以實現：
[0007] -種氧化鋁基板上PNN-PZN-PZT多層并聯壓電厚膜的制備方法，具有如下步驟：
[0008] (1)配料
[0009] 將原料Pb304、Zr02、Ti02、Nb205、Ni203和ZnO按 0· 7Pb(Zr0.46Ti0.54) 03-0.lPb(Zn1/3Nb2/3) 03-0. 2Pb(Ni1/3Nb2/3) 03的化學計量比配料，球磨4h，再于烘箱中烘干，研 磨后過篩，備用；
[0010] ⑵合成
[0011] 將步驟⑴中配制的粉料放入坩堝中壓實，加蓋用鋯粉密封，于850°C合成，保溫 2h；
[0012] ⑶二次球磨
[0013] 將步驟（2)的合成原料放入球磨罐中，二次球磨4~10h，然后放入烘箱中烘干，烘 干后研磨備用；
[0014] (4)制備玻璃料
[0015] 將原料？13304、氏803、510 2、41203按照15:2:7 :1的重量比配料，放入球磨罐中，球磨 4h，再烘干，研磨，過篩，備用；
[0016] (5)制備壓電厚膜漿料
[0017] 稱取步驟⑶的二次球磨后的粉料，加入lwt. %的步驟⑷的玻璃料和10wt. % 的有機載體，混合研磨使漿料成粘稠狀并具有一定的流動性，達到適合印刷的狀態；所述有 機載體為三乙醇胺、乙基纖維素和松油醇為1:4:45重量比的混合溶液；
[0018] (6)印刷厚膜和電極
[0019] 用蒸餾水將A1203基板超聲清洗后烘干，采用絲網印刷法在A1 203基板上依次印刷 電極、壓電厚膜層；重復印刷電極和壓電厚膜層，交替層疊直至完成3~11層并聯結構，首 層及最末層皆為電極；每印刷一層壓電厚膜層或電極都要于120°C干燥lOmin，然后再繼續 印刷；
[0020] (7)排膠與燒結
[0021] 將步驟（6)印刷好的壓電厚膜樣品進行燒制，升至800~900°C，保溫60~90min， 隨爐冷卻，制得PNN-PZN-PZT多層并聯壓電厚膜樣品；
[0022] ⑶極化
[0023] 將步驟（7)的壓電厚膜樣品置于140°C的硅油中，以6kV/mm的直流電壓極化10~ 15min，保持電場強度，停止加熱，使其自然冷卻到室溫；
[0024] (9)性能測試
[0025] 將步驟（8)經極化后的壓電厚膜樣品于室溫下靜置24h，測定壓電及介電性能。
[0026] 所述步驟（1)的原料卩13304、2抑2、110 2、他205、附203和2110，均為市售的純度彡99% 的化學純原料。
[0027] 所述步驟（1)或步驟（3)或步驟（3)的球磨介質為去離子水和氧化鋯球，球：料： 水的重量比為2:1:0. 5 ;球磨機的轉速為750r/min。
[0028] 所述步驟（7)的燒結制度為：從室溫1. 5°C/min升至200°C，保溫30min;再以 1. 5°C/min升至 250°C，保溫 40min;再以 1. 5°C/min升至 400°C，保溫 60min;再以 3°C/min 升至800~900°C，保溫60~90min;隨爐冷卻。
[0029] 本發明的有益效果如下
[0030] 1.生產成本低，采用絲網印刷技術和Ag電極，燒結溫度僅為900°C，遠低于傳統壓 電陶瓷的燒結溫度，有利于大規模工業化生產。
[0031] 2.在A1203基板上獲得了平整且高性能的多層并聯壓電厚膜材料。五層樣品的性 能為：d33= 1021pC/N，ε33τ/ε。= 1167，tanδ= 1. 92%，Pr= 56. 44μC/cm2。十一層樣 品性能為：d33=1835pC/N，ε33T/e〇=l〇〇3，tanS=2.6%，Pr= 86.776yC/cm2，S33 = 0.66%。且理論上，并聯層數越多，壓電性能越好。
[0032] 3.與壓電塊體材料相比，多層并聯壓電厚膜大大降低了驅動電壓，在較低電壓下 可以獲得較大的驅動力和位移。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發明實施例1的五層并聯壓電厚膜結構示意圖；
[0034] 圖2為本發明實施例1的表面SEM分析圖；
[0035] 圖3為本發明實施例2的斷面SEM和EDX分析圖；
[0036] 圖4為本發明實施例2的電壓一應變和電壓一位移曲線圖。
【具體實施方式】
[0037] 本發明所用原料Pb304、Zr02、Ti02、Nb205、Ni203和ZnO,均為市售的純度彡99%的 化學純原料，采用傳統固相燒結方法，具體實施例如下：
[0038] 實施例1
[0039] (1)配料
[0040] 將原料Pb304、Zr02、Ti02、Nb205、Ni203和ZnO按 0· 7Pb(Zr0.46Ti0.54) 03-0.lPb(Zn1/3Nb2/3) 03-0. 2Pb(Ni1/3Nb2/3) 03的化學計量比配料，放入球磨罐中，球磨介質為 去離子水和氧化鋯球，球：料：水的重量比為2:1: