微型PZT厚膜超声电机定子的制备及分析*

宗浩然，王大志,※，赵奎鹏，袁钰恒，梁世文，杨勇

（1.大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学宁波研究院，浙江 宁波 315016；3.宁波永新光学股份有限公司，浙江 宁波 315048）

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。

图1 电流体喷印实验平台示意图

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。

图2 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。

图3 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。

图4 微型PZT厚膜定子

图5 PZT厚膜扫描电镜图

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。

图6 拉伸法测试PZT厚膜-基底结合力

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。

图7 激光多普勒测振实验

图8 激光多普勒测试的振幅曲线

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。

图9 电压-振幅曲线

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。