SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：基于电流体喷印工艺制备了微型 PZT 厚膜超声电机定子。搭建了电流体喷印实验平台， 利用电流体喷印工艺， 以锆钛酸铅 ( PZT ) 复合悬浮液为喷印材料， 在钛合金弹性体上沉积了厚度为 50 µm 的环形PZT 厚膜并在 700 ℃下进行高温退火结晶， 利用磁 控溅射技术在 PZT 厚膜上制备了厚度为 50/200 nm 的 Ti/Pt 分区上电极并进行极化， 获得了外径为 4.3 mm、厚度为 0.6 mm 的微型PZT 厚膜超声电机定子。测试和分析了 PZT 厚膜和定子的性能， 采用扫描电镜观察了 PZT 厚膜的截面和表面微观形貌， 采用拉伸法分 析了 PZT 厚膜与弹性体的结合力， 采用激光多普勒测振仪对定子进行振动性能测试。实验结果表明， 定子工作模态的谐振频率为 82.3 kHz， 在 10 V 激励电压下， 表面测试点振幅为 212 nm， 并且振幅与激励电压幅值呈线性正相关， 定子具有良好的振幅响应控 制性。
关键词：超声电机定子,PZT 厚膜,电流体喷印
Fabrication and Analysis of Micro PZT Thick Film Ultrasonic Motor Stator Zong Haoran1 , Wang Dazhi1. 2※, Zhao Kuipeng1 , Yuan Yuheng1. Liang Shiwen2. Yang Yong3
( 1. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024. China;
2. Ningbo Research Institute, DalianUniversity of Technology, Ningbo, Zhejiang 315016. China; 3.Ningbo Yongxin Optics Co., Ltd., Ningbo, Zhejiang 315048. China)
Abstract: Micro PZT thick film ultrasonic motor stator was fabricated based on electrohydrodynamic jet printing process . Set up an experimental platform for electrohydrodynamic jet printing. Using the electrohydrodynamic jet printing process, the Lead zirconate titanate (PZT) composite suspension was used as the electrohydrodynamic jet printing material to deposit a thick annular PZT film with a thickness of 50 µm on the titanium alloy elastomer and annealed at 700 °C for crystallization. Using magnetron sputtering technology, a Ti/Pt partitioned upper electrode with a thickness of 50/200 nm was fabricated on the PZT thick film and polarized to obtain a miniature PZT thick film ultrasonic motor stator with the outer diameter of 4.3 mm and the thickness of 0.6 mm. The performance of PZT thick film and stator was tested and analyzed. The cross-section and surface morphology of PZT thick films were observed by scanning electron microscope . The bonding force between PZT thick film and elastomer was analyzed by tensile method. The vibration performance of the stator was tested with a laser Doppler vibrometer. The experimental results show that the resonant frequency of the stator working mode is 82.3 kHz, the amplitude of the test point on the stator surface is 212 nm under the excitation voltage of 10 V, and the amplitude is linearly positively correlated with the excitation voltage amplitude, and it has good amplitude response controllability.
Key words: ultrasonic motor stator; PZT thick film; electrohydrodynamic jet printing
0 引言
超声电机具有结构简单、控制方便、响应速度快等 优点[1-2]， 广泛应用于医疗设备、消费电子、机器人、微 型机械[3-7]等领域。随着先进制造技术、信息技术及智能 装备的集成和深度融合， 要求超声电机不断向微型化和 集成化方向发展， 因此， 对其提出了更高的要求以满足 特定功能需求： 低驱动电压、小体积、大驱动力和毫米 级装配空间等。
定子是超声电机的核心部件， 通常由 PZT 压电陶瓷 和弹性体组成[8]， 其原理是基于压电陶瓷的逆压电效应，将电能转化为机械能， 实现驱动转子转动。定子的微型 化制造是超声电机微型化制造的关键， 目前常见的超声 电机定子分为 PZT 块材定子和 PZT 薄膜定子两类。 PZT 块材定子是通过先将 PZT 块材减薄再粘贴的方式制作， 具有较大的驱动力， Xiaolong lu 等[9] 设计和制作了压电 块材双定子环形超声电机， 定子以 4 个 10 mm×10 mm× 1 mm 的压电陶瓷片作为驱动源， 该压电块材定子的直径 为 60 mm， 在驱动电压为 250 V 的条件下， 输出转矩达到 0.9 N·m。然而其驱动电压高达百伏以上， 定子尺寸在厘 米级， 由于压电陶瓷的硬脆特性， 传统工艺难以将 PZT块材减薄至百微米以下， 且随着尺寸的降低， 粘贴过程 精度受限， 难以实现 PZT 块材定子的微型化制造。因此 很多学者另辟蹊径， 利用 PZT 薄膜驱动具有电压低、质 量轻、尺寸小以及制备过程易与 MEMS工艺结合的特点， 采用先成型薄膜再刻蚀微结构的方法制作微型超声电机 定子， Feng Qin 等[10] 利用溅射工艺在定子上沉积了厚度 为 3.5 µm 的 PZT 薄膜， 采用深度反应离子刻蚀 (DRIE) 方法制备了直径为 4 mm 的硅基压电定子， 在驱动电压为 1.5 V 条件下能够驱动质量为 0.01 g 的转子转动， 但最大 转矩仅有 2.63 µN ·m 。PZT 薄膜定子具有毫米级尺寸， 驱 动电压一般在 10 V 以下， 但是输出转矩不足， 远小于 PZT 块材定子， 且刻蚀成形过程中易引入杂质而影响薄 膜的电学性质， 因此限制了其在实际中的应用。
PZT 厚膜 (10 ~ 100 µm) 厚度介于块材和薄膜之 间， 兼具了块材和薄膜的优点， 具有低驱动电压、大驱 动力、工作频率范围宽、机电耦合系数高等特点[11]， 且 易与 MEMS 工艺兼容， 具备制备微型化高性能压电器件 的潜力， 因此本文将高性能的 PZT 厚膜作为微型超声电 机定子的压电陶瓷材料。电流体喷射打印 (简称电流体 喷印) 技术是基于电流体动力学的非接触式的增材制造 技术[12- 13]， 通过电场力的作用， 将喷印材料从喷头内 “拉”至基底表面。本文采用电流体喷印工艺在弹性体上 沉积了环形 PZT 厚膜， 利用磁控溅射技术制备了分区上 电极并进行极化， 获得了直径为 4.3 mm、厚度为 0.6 mm 的微型 PZT 厚膜超声电机定子， 最后对 PZT 厚膜和定子 进行了测试和分析。
1 实验
1.1 电流体喷印实验平台的搭建
电流体喷印实验平台由高压直流电源、微量注射泵、 微量注射器、 X-Y 运动平台、工控机和观测相机组成， 如图 1 所示。将弹性体固定在 X-Y 运动平台上， 高压直 流电源的正极接喷针， 负极接弹性体基底， 在喷针和基 底之间形成一个稳定的直流电场。微量注射器被夹持在 微量注射泵中， 微量注射器中的 PZT 复合悬浮液在微量 注射泵的机械推力下从喷针中排出， 此时在电场力、重 力和液体表面张力作用下， 液体在喷针出口处形成泰勒 锥， 产生持续稳定的细小射流， 将 PZT 沉积到基底表面。
同时观测相机对实验进行实时观测， 保证电流体喷印过 程的稳定。最后通过程序精确控制 X-Y 运动平台的运动 速度和移动距离， 带动基底按照预定轨迹运动， 进而实 现图案可控的电喷印制造。
1.2 微型 PZT 厚膜定子的电流体喷印制备
为保证电喷印过程中 PZT 厚膜的均匀性和一致性， 提高 PZT 厚膜与弹性体的结合力， 需要对弹性体进行超 声清洗预处理。将弹性体依次浸泡在丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清洗， 避免了弹性体上的灰尘、加工碎屑等杂质对 PZT 厚膜的性能造成不利影响。图 2 所示为预处理后的钛合金弹性体基底。
配制了 PZT 复合悬浮液， 利用电流体喷印实验平台 在钛合金弹性体基底上沉积了环形 PZT 厚膜， 通过逐层 沉积使 PZT 厚膜达到目标厚度。沉积完成后的 PZT 厚膜 处于非晶态， 需要将沉积有 PZT 厚膜的弹性体放置在马 弗炉腔中进行 700 ℃高温退火结晶， 使 PZT 厚膜由非晶 态转变为钙钛矿相。在此过程中， PZT 厚膜和弹性体经 过高温共烧， 相互结合， 形成一体化结构， 实现了 PZT 厚膜与弹性体之间的强结合力。图 3 所示为微型 PZT 厚 膜定子的电流体喷印制备过程。
PZT 厚膜为多晶材料， 具有各向同性结构， 不具备 压电性， 因此要利用极化工艺实现 PZT 的压电性。由于 钛合金具有良好的导电性， 可以作为 PZT 厚膜的下电极。 采用磁控溅射技术在 PZT 厚膜上沉积了厚度为 50/200 nm 的 Ti/Pt 分区上电极， 其中 Ti 作为过渡层。最后， 在 PZT 厚膜上施加 11 V/µm 的极化电压和 200 °C 的极化温度， 极化 30 min， 获得具有压电性能的微型 PZT 厚膜超声电 机定子。
2 性能测试与分析
2.1 微型 PZT 厚膜定子表征
通过电流体喷印工艺制备的环形 PZT 厚膜整体均匀、无裂纹， 高温退火结晶后未出现剥落现象， 上电极为七分区， 溅射质量良好， 各分 区 电 极 间 未 出 现 短 路 现 象， PZT 厚 膜 定 子 外 径 为 4.3 mm、厚度为 0.6 mm， 如图 4 所示。利用扫描电子显 微镜 (SEM) 观察了 PZT 厚膜的截面和表面微观形貌， 放大倍数为 5 000 倍， 如图 5 所示。由 SEM 图可知， PZT 厚膜的截面各层均匀一致、无明显分层现象， PZT 厚膜 表面致密、孔隙率较低， 晶粒间结合性较好。
定子在工作时会产生高频弯曲振动， 导致 PZT 厚膜 和弹性体产生较大的相互作用力， 因此 PZT 厚膜和弹性 体之间要有足够的结合力。本文按照 GB/T 31541-2015 《精细陶瓷界面拉伸和剪切粘结强度试验方法》 中的拉伸 法测试 PZT 厚膜和弹性体间的结合力。首先制备了尺寸 为 4.02 mm×4.02 mm 的测试样件， 通过高强度粘结剂将 PZT 厚膜与金属片粘接在一起， 形成“金属片 -PZT 厚 膜-基底”结构， 如图 6 (a) 所示。利用 INSTRON 超高 精度微力试验机在垂直于 PZT 厚膜和基底界面的方向上 施加均匀载荷， 试验结果如图 6 (b) 所示， 当载荷从 0 增加至 65 N 时， 曲线出现突降， 此时部分 PZT 厚膜从基 底脱落并粘接在金属片表面， 样品表面裸露出钛合金基 底， 经过计算得到 PZT 厚膜与钛合金基底的结合力为 4.03 MPa。
2.2 微型 PZT 厚膜定子振动性能测试
利用单点式激光多普勒测振仪对微型 PZT 厚膜定子 进行振动性能测试， 测试系统由激光多普勒测振仪、激 光探头、双通道信号发生器、功率放大器和 PC 组成。将 超声电机定子固定在测试基座上， 调节激光探头位置， 使激光光斑入射至定子表面测试点处， 如图 7 所示。然 后通过双通道信号发生器输出频率和幅值相同的正弦激 励信号和余弦激励信号， 经由功率放大器将激励信号放大为 10 V， 最终输入至定子。通过调节信号发生器的输 出频率， 对定子在 75~90 kHz 范围内进行扫频， 当输出 频率为 82.3 kHz 时， 定子表面测试点振幅达到最大， 为 212 nm， 这表明 82.3 kHz 为定子的谐振频率， 如图 8 所 示。先前的工作中[15] 已经仿真得到定子工作模态的谐振 频率为 80.673 kHz， 实测结果与仿真结果的相对误差为 2%， 验证了振动性能测试的准确性。
超声电机定子可以采用调节激励电压幅值的方式进 行振幅响应的控制。本文测试了 PZT 厚膜定子的振幅响 应控制性， 为超声电机定子施加频率 82.3 kHz， 相位差 π/2 的两相交流激励电压， 激振出定子的工作模态， 通 过功率放大器调节输入到定子的激励电压幅值， 设定电 压范围为 2~20 V， 步长为 2 V， 得到了定子表面振幅- 电压 曲 线， 如 图 9 所 示 。
测试结果表明， 在一定范围内， 定子表面振幅与激励电压幅值呈正相关， 并 且 线 性 关 系 较好， 因此电流体喷印工艺制备的 PZT 厚膜定子具有良好的振幅响应控制性。
3 结束语
本文通过电流体喷印工艺在钛合金弹性体基底上制 备了环形 PZT 厚膜元件， 获得了微型 PZT 厚膜超声电机 定子， 该定子的外径为 4.3 mm， 厚度为 0.6 mm。利用 SEM 观察了 PZT 厚膜的截面和表面微观形貌， 结果显示 PZT 厚膜的截面各层均匀一致， 表面致密、孔隙率较低， 采用拉伸法测试得到 PZT 厚膜和基底的结合力为 4.03 MPa， 利用激光多普勒测振仪测试了定子的振动性能， 确定了定子工作模态的谐振频率为 82.3 kHz， 在 10 V 的 激励电压下， 定子表面测试点振幅为 212 nm， 并且该定 子可以通过调节激励电压进行振幅响应控制。实现了小 尺寸、低电压、大驱动力的微型超声电机定子的电喷印 制造。
参考文献：
[1] Pulskamp J S , Polcawich R G , Rudy R Q , et al . Piezoelec tric PZT MEMS technologies for small-scale robotics and RF ap ⁃ plications[J]. MRS bulletin, 2012. 37(11): 1062- 1070.
[2] Mashimo, Tomoaki. Scaling of Piezoelectric Ultrasonic Motors at Submillimeter Range[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatron ⁃ ics, 2017:1- 1.
[3] 褚祥诚, 陈维山, 陈在礼 . 超声波马达在美国的发展[J]. 压电与 声光,1999.21(1): 38-41.
[4] 芦小龙 . 用于空间环境的超声电机的研究[D]. 南京:南京航空 航天大学, 2014.
[5] Shafik, R B Mrad. Piezoelectric Motor Technology: A Review[J]. Nanopositioning Technologies, Springer, 2016:33-59.
[6] W Xu, Y Wu, Piezoelectric actuator for machining on macro-to- micro cylindrical components by a precision rotary motion control [J]. Mech. Syst. Signal Process, 2019 (114): 439-447.
[7] 孙立宁, 孙绍云, 荣伟彬, 等 . 基于 PZT 的宏/微驱动机器人研 究[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2004 (36):16- 19.
[8] 赵淳生 . 超声电机技术与应用[M]. 北京:科学出版社, 2007.
[9] X Lu, J Hu, L Yang, et al . A novel dual stator-ring rotary ultra⁃ sonic motor[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2013 (189): 504-511.
[10] F Qin, G Dai, X Sun, et al. A Novel PZT-Based Traveling- Wave Micromotor With High Performance and Unconstrained Coaxial Rotation[J]. Journal of Microelectromechanical Systems, 2018.27(4):635-642.
[11] 周鹏,王大志,石鹏,等 . 不锈钢基压电厚膜微悬臂梁传感器的 制作与测试[J]. 机电工程技术,2019.48(7):32-34.
[12] Wang D, Zhao X, Lin Y, et al. Nanoscale coaxial focused elec ⁃ trohydrodynamic jet printing[J]. Nanoscale, 2018. 21(10): 9867- 9879.
[13] Duraisamy N, Muhammad N M, Kim H C, et al. Fabrication of TiO2 thin film memristor device using electrohydrodynamic ink ⁃ jet printing[J]. Thin Solid Films, 2012. 520(15): 5070-5074.
[14] Chan V, Perlas A. Basics of ultrasound imaging. In Atlas of Ul⁃ trasound-Guided Procedures in Interventional Pain Manage ⁃ ment[M]. Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2011.
[15] 袁钰恒,赵奎鹏, 宗浩然,等 . 微型压电厚膜执行器的仿真与实 验研究[J]. 机电工程技术,2022.51(1):9- 11.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/58106.html
