积层压电致动器及其制造方法技术

一种积层压电致动器及其制造方法，是以网版印刷的方式，以振动板作为基材，在它表面重复网版印刷电极层和压电层的层叠到所需的层数，再以网版印刷方式在最顶端的压电层表面印刷一层上电极层，将电极层、压电层与基材进行共烧，通过印刷技术可以制作各种组合与形状的积层压电结构，并使压电层达到足够的厚度，以降低其驱动电压和提升致动位移量。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压电致动器及其制造方法，特别涉及一种。
技术介绍
目前应用于计算机外设设备的喷墨打印头的主要技术为压电式喷墨打印头和热气泡式喷墨打印头，其差异主要在用来推动墨水的致动器分别为热气泡式或压电式。热气泡式致动器是利用加热器将墨水瞬间气化，产生高压气泡推动墨水从喷嘴射出。压电致动器利用压电陶磁因施加电压产生形变的机制，挤压液体产生高压而将液体喷出。相对于热气泡式，压电式喷墨头有下列优点压电式不会因为高温气化产生化学变化，影响颜色品质的状况，并且由于没有反复高热应力，因此具有极佳的耐久性。此外，压电陶磁反应速度快且容易控制液滴的大小，可提升打印速度和品质，热气泡式则受限于热传导速度和气化温度，而影响其速度和品质。压电致动器可分为单层与积层结构，目前市面的压电式喷墨打印头的致动器多以单层为主，单层压电致动器是将具有压电性质的材料，如氧化锌(ZnO)、钛酸铅(PbTiO3)或锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3，一般称为PZT)等，其中以PZT压电材料系列的压电性质较佳，以一定比例与玻璃粉体、有机粘结剂(Binder)、塑化剂(Plasticizer)和溶剂等混合调制成浆料(Slurry)，然后将此浆料利用刮刀(Doctor Blade)均匀涂布在承载膜(Mylar)上，随着溶剂的挥发，压电材料粉体紧密堆积，借着粘结剂作用使粉体具有足够地强度结合在一起，而形成生胚薄带。然后经过裁切、烧结并接上电极即形成单层的压电致动器，相比于积层式结构，单层压电致动器需要以较高的电压驱动。积层压电致动器(Multilayer piezoelectric actuator，MPA)，具有微小位移的可控制性、高频响应特性、低消耗功率、不易发热、不会产生电磁信号的干扰、转换效率高、体积小和重量轻等优点。但由于制作过程和结构上的限制，很难用生胚薄带来实现积层技术。只能重复多次薄膜制作过程来形成积层压电结构，如溅镀(Sputter)或溶胶凝胶法(Sol-Gel)，但由于薄膜制程所能达到的压电薄膜厚度有限，以这种制作过程所制作的压电致动器的位移量非常的微小，大多应用在需要精密定位的微机电装置。要使位移量符合压电式喷墨头的需求，单层压电薄膜厚度需达到数十微米，利用薄膜制程需经过许多次的堆叠，不符合经济效益。此外，也可通过生胚堆叠的方式制作积层压电致动器，如US20030042821的美国专利早期公开案，其内容公开了一种应用于喷墨头的积层压电致动器。以积层方式堆叠多层生胚与电极层，并将此积层结构烧结完成之后裁切成适当形状，再在积层结构的两侧分别形成外部电极，一侧的外部电极与单数的电极层电性连接，另一侧则与双数的电极层电性连接，来形成积层压电致动器。然而以积层方式堆叠多层生胚与电极层，其尺寸体积很难缩减，在形状上也有所限制。因此，如何开发出更灵活且容易控制的制作过程，以制作出具有高致动位移量且低驱动电压的压电致动器，并降低其制作过程难度和制作成本，即成为重要发展目标。
技术实现思路
为解决现有的技术问题，本专利技术提供了一种，以网版印刷的方式，网印电极层和压电层以形成积层结构后与振动板进行共烧。利用网板印刷技术可以制作各种组合与形状的积层压电结构，并使压电层达到足够的厚度，以降低其驱动电压并提升致动位移量。本专利技术的积层压电致动器的制造方法，其步骤包含有提供一个基材；以网版印刷方式在基材表面印刷电极层；以网版印刷方式在电极层表面印刷压电层；然后重复印刷电极层和压电层的层叠到所需的层数；然后，以网版印刷方式在最顶端的压电层表面印刷上电极层；将电极层、压电层与基材进行共烧。其中电极层以银、银/钯、金或铂等导电胶材经印刷而成，压电层则可为任意压电材料所调制的浆料经印刷而成，如氧化锌(ZnO)、钛酸铅(PbTiO3)或锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3，PZT)等，电极层与压电层的厚度依照不同需要可为2微米到40微米。基材用来作为振动板，其材质可为氧化锆、氧化铝等陶瓷材料，硅、氧化硅、氮化硅等硅晶材料、金属氧化物、高分子材料或复合弹性材料。配合上述方法，本专利技术更包含一种积层压电致动器，以振动板作为基材，在其表面网版印刷多层第一电极层、多层压电层和一层以上的第二电极层的层叠，第一电极层和第二电极层间隔压电层并交错堆叠，多层第一电极层导通于第一电压端，一层以上的第二电极层导通于第二电压端，利用第一电压端与第二电压端提供电位差给压电层。由上所述，这种高致动位移量的致动器至少包含两层第一电极层、两层压电层和一层第二电极层，在振动板表面依次网版印刷第一电极层/压电层/第二电极层/压电层/第一电极层的层叠。本专利技术方法可依据不同领域的需求制作具有较低驱动电压或较高致动位移量的积层压电致动器，可广泛应用于微致动阀、喷墨头、微帮浦和微开关等。附图说明图1是本专利技术的第一实施例的制作流程图；图2是本专利技术的第一实施例的正视剖面结构示意图；图3是本专利技术的第一实施例的侧视剖面结构示意图；图4是本专利技术的应用例的正视剖面结构示意图；图5是本专利技术的第二实施例的侧视剖面结构示意图；图6是单层PZT致动器的位移量分析图；图7是双层PZT致动器的位移量分析图。具体实施例方式为使对本专利技术的目的、构造特征及其功能有进一步的了解，现配合附图详细说明如下。本专利技术所公开的，以网版印刷的方式来制作积层的电极层和压电层结构，除了网印一次即可提供每一单层足够厚度之外，可利用不同的网版图案制作不同形状的电极层和压电层结构，并且利用重复的网印步骤制作任意层数的积层压电致动器。参见图1，图1是本专利技术的第一实施例的制作流程图，用来制作双层压电致动器。首先，提供一个振动板(步骤10)；以网版印刷方式在振动板表面印刷下电极层(步骤20)；以网版印刷方式在下电极层表面印刷压电层(步骤30)；以网版印刷方式在压电层表面印刷中间电极层(步骤40)；以网版印刷方式在中间电极层表面印刷压电层(步骤50)；以网版印刷方式在压电层表面印刷上电极层(步骤60)；最后，将由下而上依次为下电极层/压电层/中间电极层/压电层/上电极层的层叠与基材进行共烧(步骤70)。参见图2，图2是本专利技术的第一实施例的正视剖面结构示意图，在振动板100表面由下而上依次为下电极层110/压电层120/中间电极层130/压电层120/上电极层140的层叠，其下电极层110和上电极层140导通于第一电压端150，中间电极层导通于第二电压端160，通过第一电压端150与第二电压端160提供电位差给压电层120。参见图3，图3是本专利技术的第一实施例的侧视剖面结构示意图，振动板表面的下电极层110和上电极层140互相连接在双层压电致动器的一端，中间电极层130间隔压电层120伸入下电极层110和上电极层140之间，并由双层压电致动器的另一端延伸而出。为更详细说明本专利技术，参见图4，图4是本专利技术的应用例的正视剖面结构示意图，将双层压电致动器应用在喷墨头的数组式结构，其喷墨头由流体结构200和多个双层压电致动器所组成，流体结构200包含有多个流体信道210与多个喷孔220，喷孔220连接在流体信道210，使流体由流体信道210进入并在受压后由喷孔220流出。双层压电致动器与流体结构200结合，以对流入流体信道210的流体施压，使其由喷孔220流出。其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种积层压电致动器的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：（ａ）提供一个基材；（ｂ）以网版印刷方式在所述基材表面印刷一层电极层；（ｃ）以网版印刷方式在所述电极层表面印刷一层压电层；（ｅ）重复一次以上步骤（ｂ）到 步骤（ｃ）；（ｆ）以网版印刷方式在最顶端的所述压电层表面印刷一层上电极层；（ｇ）将所述基材、所述电极层、所述压电层与所述上电极层进行共烧。

【技术特征摘要】
1.一种积层压电致动器的制造方法，其特征在于，包含以下步骤(a)提供一个基材；(b)以网版印刷方式在所述基材表面印刷一层电极层；(c)以网版印刷方式在所述电极层表面印刷一层压电层；(e)重复一次以上步骤(b)到步骤(c)；(f)以网版印刷方式在最顶端的所述压电层表面印刷一层上电极层；(g)将所述基材、所述电极层、所述压电层与所述上电极层进行共烧。2.如权利要求1所述的积层压电致动器的制造方法，其特征在于，所述以网版印刷方式在所述基材表面印刷一层电极层的步骤，是选取一种导电材料以印刷所述导电层。3.如权利要求2所述的积层压电致动器的制造方法，其特征在于，所述导电材料选自银、银/钯、金和铂所组成的族群的其中一种导电材料。4.如权利要求1所述的积层压电致动器的制造方法，其特征在于，所述以网版印刷方式在所述电极层表面印刷一层压电层的步骤，是选取一种压电材料所调制的浆料来印刷所述压电层。5.如权利要求4所述的积层压电致动器的制造方法，其特征在于，所述压电材料选自氧化锌(ZnO)、钛酸铅(PbTiO3)和锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3，PZT)所组成的族群的其中一种。6.如权利要求1所述的积层压电致动器的制造方法，其特征在于，所述电极层厚度为2微米到40微米。7.如权利要求1项所述的积层压电致动器的制造方法，其特征在于，所述压电层厚度为2微米到40微米。8.如权利要求1所述的积层压电致动器的制造方法，其特征在于，所述基材的材料选自氧化锆和氧化铝所组成的族群的其中一种。9.如权利要求1所述的积层压电致动器的制造方法，其特征在于，所述基材的材料选自硅、氧化硅和氮化硅所组成的族群的其中一种。10.如权利要求1所述的积层压电致动器的制造方法，其特征在于，所述基材的材料为金属氧化物、高分子材料和复合弹性材料所组成的族群的其中一种。11.一种积层压电致动器，以一个振动板作为基材，在所述振动板表面堆叠有多层第一电极层、多层压电层和一层以上的第二电极层的层叠，其特征在于，所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层经网版印刷方式依次堆叠在所述振动板，并经共烧而成，所述第一电极层和所述第二电极层间隔所述压电层并交错堆叠，多层所述第一电极层导通于一...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志明，涂升利，
申请(专利权)人：飞赫科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]