三维多层共烧压电陶瓷智能结构与可程控多振动模态激励方法

技术领域

本发明涉及精密驱动与定位技术，具体涉及一种基于超材料和压电应变基元序构思想设计的三维多层共烧压电陶瓷智能结构，及其可程控、多模态振动激发方法，以及该结构的共烧制备方法，该多层共烧压电陶瓷智能结构可在宽的非谐振频率范围内使用人工方法构造出多种振动模态。

背景技术

压电陶瓷器件是一种利用机电耦合效应，将机械能和电能进行可逆转化的精密器件。与传统的电磁器件相比，压电器件因其高的机电耦合效果、快速的响应速度、紧凑的结构、无电磁辐射、高的功率密度等优势，在卫星、光刻机、生物医学系统、精密制造和微机电系统中的微型致动器和电机上获得了广泛的应用。

本质上，压电陶瓷是一种机电耦合材料，通常在谐振频率激励下才表现出有效的机电耦合。在交变电场的激发下，由于逆压电效应，可以产生与压电陶瓷器件内部的激发驻波相对应的各种机械振动模式。在设计压电器件时，除了选择合适的压电材料外，选择合适的振动模式以实现有效的机电共振至关重要。然而，对于传统的压电装置，为了产生所需的主振动模式并抑制寄生振动，需要将外部激励信号的频率设置为所需振动模式的本征频率(即自然共振或特征频率)。通常，连续弹性介质的本征频率取决于几何结构、材料参数和约束条件等，且本征频率的数量是无限的，从而会导致一些无法避免的问题。首先，陶瓷的结构尺寸决定了其特征频率，不同结构尺寸的压电陶瓷要在不同的特征频率——常常并不是期望的工作频率下，才能激发出期望的主振动模式。其次，常规压电器件的主振动模态所对应的谐振频率基本上都属于超声范围(即>20kHz)，即在低频率下这些主振动模态基本不能激发出来。第三，随着器件微型化和高频化，谐振压电器件的主振动模态与寄生模态的耦合器问题更趋复杂，会更加严重地降低谐振器的机电转换性能。第四，某些情况压电器件需要工作于复合振动模态，而每个振动模态都对应着一个本征频率，因此需要通过复杂的计算才能找到特别的结构与尺寸，才能在一个特征频率下同时激发出两个模态。

工作在非共振频率下的非谐振式压电器件工作频带较宽、对环境温度变化不敏感、精密定位分辨率高。但是根据传统的压电振动理论，由于很低的机电耦合，在非共振频率下压电陶瓷几乎不可能产生所需的振动模式。

另外，由于PZT陶瓷的6mm晶体结构对称性，压电陶瓷仅有五个非零的压电应变系数，即d

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于超材料理论的构造方法，通过构造出压电陶瓷应变单元按一定顺序三维空间排列的有序结构，可以在很宽的非谐振频率范围(从准静态到超声频率范围)内激发出各种基本振动模态。首先，本发明设计了一种由(2×2×2)矩阵序构压电应变基元构成的可共烧多层压电陶瓷智能结构，利用应变基元(包括其高密度子单元)之间的应变协同效应，在非谐振状态下增强某一或某些方向上的变形，从而人工构造出弯曲、伸缩、剪切、扭转或复合模态，其中一些振动模态甚至是自然压电陶瓷无法产生的。在添加随时间变化的可编程电路之后，可以进一步获得多模态切换的功能。将多个压电陶瓷智能结构叠加在一起时，可获得大尺寸、高阶或复合振动模态。同时，人工构造出的各表观压电系数比自然压电系数高了数十倍甚至数百倍。这种新型的多层共烧压电陶瓷智能结构打破了传统压电振动理论的限制，可以有效解决传统压电器件的尺寸限制大、驱动频率高、温度稳定性差等问题，可为未来压电器件的设计开辟全新的道路。

本发明提供的技术方案是：

一种三维多层共烧压电陶瓷智能结构，是基于压电陶瓷应变基元有序结构构造出的矩形结构，这种矩形结构由(2×2×2)矩阵序构的八个多层压电陶瓷应变基元(或单元)构成，八个应变基元按顺序依次编号为1-A

为了易于表示，在后续的图中将每个多层应变基元简化为矩形应变基元，如图2所示，每个矩形应变基元实际上是由很多层陶瓷片亚单元组成的。参见图2，这八个矩形应变基元中各亚单元的极化方式为沿3轴方向头对头极化。

在非谐振频率下，利用超材料思想构建的上述(2×2×2)三维智能结构会发生强烈的非线性变形，含有高密度亚单元的八个应变基元之间的协同作用使得结构在部分位置上会产生应力集中效应，产生的应变甚至可与共振模态下的应变相当。因此，在非谐振频率驱动时，本发明的三维序构智能结构可以在适当的边界条件下产生各种人工振动模态，如伸缩、剪切、弯曲和扭转等振动模态。更为重要的是，这些人工振动激发模式几乎不受本征频率的限制，可有效扩展压电器件的工作频率范围与功能。

人工伸缩振动模态的激发方式完全等同于d

当上述多层有序智能结构沿两条对角线上的变形相反，即一条对角线上的应变基元沿对角线方向伸长(或缩短)，而另一条对角线上的应变基元沿对角线方向缩短(或伸长)时，因各应变基元之间的协同作用，可以激发出面内剪切振动模态。根据对角线方向的不同，可以分别产生2-3、1-3和1-2三个平面内的剪切模态，分别对应于压电应变系数d

当一侧的四个应变基元伸长(或缩短)，而另一侧的四个应变基元缩短(或伸长)时，便能激发出人工面内弯曲模态，如图5所示。弯曲振动模态的驱动方式类似于传统的bimorph器件的驱动方式，但是，上述智能结构可以程控电压驱动下，在非谐振条件下，分别在三个平面上产生所需的弯曲模态。

图6所示为不同约束条件下，多层有序智能结构被激发出的围绕1轴和2轴、在非谐振条件下激发的新型扭转振动模态。由于连续体的连续分布特性，扭转模态的激发仍然归因于(2×2×2)阵列基元的应变协同效应。需要注意的是，先前报道的传统扭转结构通常是将多个d

对于上述基于压电陶瓷应变基元有序结构构造出的可共烧多层压电陶瓷智能结构，驱动电场的工作频率几乎可以预设在任意的非谐振频率，或者预设在远低于所述压电器件的谐振频率，从而可使智能结构在较宽的工作频带内稳定工作，且不易受外界环境的影响。

进一步地，本发明提出的(2×2×2)三维智能结构具有可程控功能。每个应变基元的上下表面都印刷有电极层，电极层上焊线与驱动信号源的输出端相连接。由于上述三维智能结构可以在不同的信号驱动下发生不同的变形，故可以根据具体的应用需求来预置控制电路，即施加随时间变化的可编程驱动电压来实现不断改变的多种振动模态，使得上述三维智能结构具有可程控产生复杂振动模态行为(如多自由度驱动)的潜力。

进一步地，通过将多个三维智能结构叠加在一起，可以获得更加丰富的大尺寸、非谐振条件下的高阶或复合模态振型，参见图8。工作在非谐振状态的每一个上述(2×2×2)三维智能结构都是独立的个体，在较宽的频率范围内可以独立的驱动。图8中(a)所示为两个三维智能结构沿3轴方向叠加在一起，同时激发出其2-3平面内的弯曲振动模态，则可获得大尺寸的弯曲振型。图8中(b)所示为两个三维智能结构沿1轴方向叠加在一起，同时激发出这两个三维智能结构绕1轴的扭转振动模态，则可获得一个非谐振三阶扭转振型。图8中(c)所示为两个三维智能结构沿1轴方向叠加在一起，分别激发出这两个三维智能结构沿3轴方向的伸缩振动和绕1轴方向的扭转振动，则可获得纵-扭复合模态振型。

本发明所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构可以使用任何成分的压电陶瓷材料，如具有高压电性能的锆钛酸铅PZT基压电陶瓷、钪酸铋-钛酸铅BS-PT基高温压电陶瓷、铌酸钾钠KNN基无铅陶瓷、钛酸钡BT基无铅陶瓷等多种材料。

本发明还提供上述(2×2×2)三维多层共烧压电陶瓷智能结构的制备方法，包括：

1)流延：配制好低温共烧压电陶瓷浆料后，利用流延法制备压电陶瓷厚膜，烘干后按需求切割成相同大小的矩形素坯薄片；

2)印刷电极：取出部分素坯薄片，使用丝网印刷的方法分别在其上表面印刷预先设计好的两种图案的内电极1-E

3)叠层：在一片印刷有内电极1-E

4)热压：用热等静压的方法将陶瓷叠堆压实；

5)排胶、烧结：使用排胶方法将块体中的有机物排出，再以特定的温度曲线进行低温共烧，使叠层形成致密、均一化的整体；

6)制备外电极：根据预先设计好的结构在外表面制备外电极，并与相应应变基元的内电极分别连接；

7)极化：在高温下进行电极化。

上述步骤1)中，先进行配料：将选定的压电陶瓷粉与适当的有机溶剂、塑化剂、粘结剂等按特定比例混合与球磨，制备均匀浆料；然后使用流延刮涂的方法，将浆料制备成压电陶瓷厚膜，其厚度为10μm至500μm，优选为10～200μm，然后烘干、切割。

上述步骤2)中，内电极的材料通常为贵金属浆料，优选为高温银钯浆料。内电极1-E

在步骤3)进行堆叠时，内电极1-E

上述步骤4)中，优选的，热等静压在120℃、压强20MPa的条件下进行15到30分钟。

上述步骤5)中，优选的，烧结温度为950℃～1000℃。

上述步骤6)中，优选的，在烧结后的整体结构外表面制备多个外电极，这些外电极与相应的内电极分别连接，以对多层陶瓷结构施加极化电场与驱动电场。在本发明的一个实施例中，在共烧所得整体结构的一个侧面上制备外电极1-E

上述步骤7)中，优选的，使用油浴加热极化的方法，得到所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构。其中，极化温度取在压电陶瓷的半居里温度附近，极化电场设置为压电陶瓷矫顽场的3到5倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明是基于超材料理论和压电陶瓷应变基元序构思想构造出的三维可共烧多层压电陶瓷智能结构。该发明可以利用(2×2×2)矩阵有序结构在较宽的非谐振频带上人工构造出各种基本振动模式，如弯曲、伸缩、剪切、扭转或复合模态等，甚至其中一些模态是无法在传统压电陶瓷中激发出来的，也无需将压电器件的驱动频率局限在谐振频率处，这很大程度上降低了工作模态对器件尺寸、材料性能参数的要求；特别是可以避免压电器件谐振工作状态下，谐振频率易受环境温度影响而产生漂移的问题。

(2)本发明提出的三维多层共烧压电陶瓷智能结构，可以采用多层共烧工艺进行制备。传统的剪切、扭转等振动模态的激发，都需要使用粘结法将多个陶瓷片粘结在一起，以解决极化方向和驱动电场方向垂直的矛盾。但上述三维智能结构的极化方向和电场方向相互平行，故可以使用共烧工艺进行制备，可有效减小器件体积，并避免极化翻转、温度稳定性差、位移损失、回滞效应或蠕变等问题。

(3)本发明提出的三维多层共烧压电陶瓷智能结构，具有可程控和可叠加的效果。在时变可编程电路的驱动下，上述智能结构可以产生多种不同的运动轨迹；将多个智能结构按一定顺序叠加在一起，能在非谐振状态下获得大尺寸、高阶或复合振动模态。这意味着使用一个单一结构或叠加多个结构即可实现丰富多样的驱动功能，具有用作多自由度功能的智能结构、换能器或执行器的潜力，在精密驱动与定位领域有很广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述基于压电陶瓷应变基元有序结构构造出的(2×2×2)三维多层共烧压电陶瓷智能结构的示意图；

其中，1为三维多层共烧压电陶瓷智能结构；1-A

图2为图1所示(2×2×2)三维多层共烧压电陶瓷智能结构的简化示意图。

图3为本发明提供的由所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构激发出的伸缩振动模态驱动方式及其变形示意图；

其中，1为三维多层共烧压电陶瓷智能结构，1-A

图4为本发明提供的由所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构激发出的剪切振动模态驱动方式及其变形示意图；

其中，(a)为2-3面内的d

图5为本发明提供的由所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构激发出的弯曲振动模态驱动方式及其变形示意图；

其中，(a)为2-3面内的弯曲模态，(b)为1-3面内的弯曲模态，(c)为1-2面内的弯曲模态。

图6为本发明提供的由所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构激发出的扭转振动模态驱动方式及其变形示意图；

其中，(a)为绕1轴的扭转模态，(b)为绕2轴的扭转模态。

图7为本发明所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构的可程控功能的具体实施例；

其中，(a)显示了电压对应情况，(b)为施加在各电极表面的驱动信号V

图8为本发明所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构的可叠加功能的具体实施例；

其中，(a)为大尺寸的弯曲振动模态，(b)为三阶扭转振动模态，(c)为纵-扭复合振动模态。

图9为本发明实施案例中三维多层共烧压电陶瓷智能结构的制备过程示意图；

其中，1-E

图10为本发明实施案例中三维多层共烧压电陶瓷智能结构的表观压电应变系数的模拟结果及测试结果；

其中，(a)～(f)分别对应于

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供的基于超材料理论和压电陶瓷应变基元有序结构构造出的(2×2×2)三维多层共烧压电陶瓷智能结构，利用八个应变基元之间非线性变形的协同作用，人工构造出可以在非谐振状态下激发出的伸缩、剪切、弯曲、扭转或复合等多种振动模态。这些振动模态的驱动频率无需被限制在狭窄的谐振频率内，而是在很宽的非谐振频带下都能实现相同的功用。该方法突破了传统压电谐振动模态的局限，为新型压电器件的开发提供了新的视角。

本发明提供的三维多层共烧压电陶瓷智能结构具有功能可扩展性、性能可调性和制造可行性的特征。在添加随时间变化的可编程电路之后，可以进一步获得具有切换模式的可程控压电器件。此外，通过叠加多个单元来实现大尺寸、非谐振高阶或复合振动模态是可行的。在此设计中，每一个应变基元由多层陶瓷组成，各陶瓷层的施加极化电场的电极和施加驱动电压的电极彼此共用，故可以使用流延共烧法制备出易于集成、驱动电压低的多层结构。

图1为本发明所述基于压电陶瓷应变基元有序结构构造出的三维多层共烧压电陶瓷智能结构示意图。如图1所示，所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构1由八个应变基元1-A

图3为本发明提供的由上述三维多层共烧压电陶瓷智能结构激发出的伸缩振动模态驱动方式及其变形示意图。驱动时，三维多层共烧压电陶瓷智能结构1的底面与固定基板2粘结在一起，八个应变基元1-A

图4为本发明提供的由上述三维多层共烧压电陶瓷智能结构激发出的剪切振动模态驱动方式及其变形示意图，本发明提出了三种不同面内的剪切模态实施例。

图4中(a)所示为2-3面内的d

图4中(b)所示为1-3面内的d

图4中(c)所示为1-2面内的d

图5为本发明提供的由上述三维多层共烧压电陶瓷智能结构激发出的弯曲振动模态驱动方式及其变形示意图，本发明提出了三种不同面内的弯曲模态实施例。

图5中(a)所示为2-3面内的弯曲模态。三维多层共烧压电陶瓷智能结构1的底面与固定基板2粘结在一起。当位于同一侧的四个应变基元1-A

图5中(b)所示为1-3面内的弯曲模态。三维多层共烧压电陶瓷智能结构1的底面与固定基板2粘结在一起。当位于同一侧的四个应变基元1-A

图5中(c)所示为1-2面内的弯曲模态。三维多层共烧压电陶瓷智能结构1的背面与固定基板2粘结在一起。当位于同一侧的四个应变基元1-A

图6为本发明提供的由上述三维多层共烧压电陶瓷智能结构激发出的扭转振动模态驱动方式及其变形示意图，其中，图6中(a)为绕1轴的扭转模态实施例，(b)为绕2轴的扭转模态实施例。人工扭转模态的激发，本质上是将两个方向相反的剪切模态叠加在一起。更具体地，图6中(a)绕1轴的扭转模态实际上是将2个2-3面内的准剪切模态叠加在一起形成的，图6中(b)绕2轴的扭转模态实际上是将2个1-3面内的准剪切模态叠加在一起形成的。

图7为本发明所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构的可程控功能的具体实施例。三维多层共烧压电陶瓷智能结构1的底面与固定基板2粘结在一起。当将图7中(b)所示电压信号V

图8为本发明所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构的可叠加功能的具体实施例。由于所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构1工作于非谐振状态，不受尺寸的影响，所以可以将多个三维多层共烧压电陶瓷智能结构1叠加起来，以获得更为丰富的复杂振动模态。图8中(a)所示为两个三维多层共烧压电陶瓷智能结构1沿3轴方向叠加在一起，同时激发出其2-3平面内的弯曲振动模态，则可获得大尺寸的弯曲振型。图8中(b)所示为两个三维多层共烧压电陶瓷智能结构1沿1轴方向叠加在一起，同时激发出这两个结构绕1轴的扭转振动模态，则可获得一个三阶扭转振型。图8中(c)所示为两个三维多层共烧压电陶瓷智能结构1沿1轴方向叠加在一起，分别激发出这两个结构沿3轴方向的伸缩振动和绕1轴方向的扭转振动，则可获得纵-扭复合模态振型。

图9显示了本发明实施案例中三维多层共烧压电陶瓷智能结构的制备过程(参见图9)：

步骤101，低温共烧压电陶瓷粉的制备。根据要使用的压电陶瓷的材料组分，按照化学计量比进行配比，经过一次球磨、预烧、二次球磨、烘干后获得所需压电陶瓷粉。由于本发明所述三维多层共烧压电陶瓷智能结构的构造方法具有普适性，所以可以使用任何成分的压电陶瓷材料，如具有高压电性能的锆钛酸铅PZT基压电陶瓷、钪酸铋-钛酸铅BS-PT基高温压电陶瓷、铌酸钾钠KNN基无铅陶瓷、钛酸钡BT基无铅陶瓷等多种材料。

步骤102，流延浆料的制备。将选定的压电陶瓷粉与适当的有机溶剂、塑化剂、粘结剂等按特定比例混合与球磨，制备均匀浆料。

步骤103，流延。使用流延刮涂的方法，将浆料制备成厚度为10μm至200μm范围内的压电陶瓷厚膜。待厚膜在适当温度下烘干后，将其切割成特定形状和大小的矩形素坯薄片。

步骤104，印刷电极。使用丝网印刷法，在一些素坯薄片的上表面分别印刷预先设计好的两种内电极图案1-E

具体地，内电极的材料通常为贵金属浆料，优选为高温银钯浆料。在本实施例中，1-E

步骤105，叠层。在一片印刷有内电极1-E

具体地，在叠层时要注意使内电极1-E

步骤106，热压。用热等静压的方法把陶瓷堆压实，一般在120℃、压强20MPa的条件下压15到30分钟。

步骤107，排胶、烧结。使用排胶方法将块体中的有机物排出，再以特定的温度曲线进行低温共烧，烧结温度一般在950℃～1000℃，使叠层形成致密、均一化的独石化结构。

步骤108，制备外电极。根据预先设计好的结构，在上述独石化多层陶瓷的外表面制备外电极1-E

步骤109，极化。使用油浴加热极化的方法，得到上述三维多层共烧压电陶瓷智能结构。其中，极化温度取在压电陶瓷的半居里温度附近，极化电场设置为压电陶瓷矫顽场的3到5倍。

图10中(a)～(f)所示分别为1Hz驱动电压条件下，本发明实施案例中三维多层共烧压电陶瓷智能结构的表观压电应变系数

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。