PZT基多层压电陶瓷的制备及作动器件

摘要

压电作动器具有控制精度高、响应速度快、线性度好、功耗低等优点，已被广泛应用于电子、通信、医学等诸多领域。与此同时，随着科学的发展，单层压电作动器驱动电压高、位移太小，已经没法满足当前低电压下大位移、大推力的需要。为了克服这一缺点，多层压电作动器受到了越来越多的关注。本文采用了两种方法来制备PZT基多层压电作动器，对其性能进行了研究，并探索了其在新型器件中的应用。
　　采用先进的低温共烧陶瓷（LTCC）技术制备了0.90Pb(Zr0.48Ti0.52)O3-0.05Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-0.05Pb(Zn1/3Nb2/3)O3（0.90PZT-0.05PMS-0.05PZN）为压电层、Ag为内电极导电层的多层压电陶瓷作动器，重点研究了其低电压下大位移性能。结果表明：烧结致密的多层压电陶瓷作动器层与层之间界面清晰，有很少的缺陷，压电层和内电极层的厚度分别为40μm和6μm。一个含有60个活动层的压电陶瓷作动器在80V的直流驱动电压下能产生2.7μm的纵向位移，应变量得到了0.1％。
　　同时，采用改进的陶瓷片粘接的方法成功制备出含有100层、每层0.2mm厚的PZT-5压电陶瓷叠堆，并重点探究了其大位移、大推力特性。结果表明：自由状态的压电叠堆在200V直流电压下，能输出19.4μm的纵向位移，应变量接近0.1%；当施加负载时，最大能推动1.5kN的负载产生20.2μm的纵向位移，单位推力达到了3kN/cm2。
　　以0.90PZT-0.05PMS-0.05PZN多层压电陶瓷为基础，通过ANSYS软件建立三维有限元模型，CAD软件进行结构设计，开发了一种触觉反馈应用的多层压电陶瓷振动马达。测试结果表明，其在30Vp-p稳态、脉冲电压激励下分别能输出1N、0.8N的力，最佳工作频率在185~195Hz之间，与单层压电陶瓷振动马达相比，具有更低的驱动电压和更稳定的工作频率。

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注释表

第一章 绪论

1.1引言

1.2作动器用锆钛酸铅（PZT）基压电陶瓷

1.3多层压电陶瓷作动器概述

1.4多层压电陶瓷的新型应用

1.5本课题研究的意义、内容及工作安排

第二章 LTCC材料的选择、制备与性能测试

2.1材料的选择

2.2 0.90PZT-0.05PMS-0.05PZN粉体和陶瓷的制备

2.3压电陶瓷性能的测试

2.4本章小结

第三章 低温共烧多层PZT-PMS-PZN压电陶瓷作动器

3.1引言

3.2样品的制备

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 粘接工艺制备压电陶瓷叠堆位移作动器及性能研究

4.1引言

4.2实验过程

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 基于触觉反馈应用的多层压电陶瓷振动马达的开发

5.1引言

5.2多层压电陶瓷振动马达的结构设计

5.3多层压电陶瓷振动马达的制作

5.4多层压电陶瓷振动马达性能测试

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1本论文的工作总结

6.2下一步的研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的成果