水热法制备压电双晶片的研究

    压电双晶片是一种应用广泛的压电元件,自1931年由C.B.Sawyer^[1]发明并用于声学领域以来,已广泛应用于换能器^[2]、超声马达、滤波器、电话传送^[3]等方面,近年来又应用于亚微米级精度的微传感器、驱动器中。研究这种实用元件的制备方法及其性能,对使用者进行应用设计、元件挑选具有理论及实际意义。近年来,国内外不少学者对压电双晶片的基本理论与应用进行了研究。Smits^[2]提出了压电双晶片结构的静态本构方程,并对其动态特性进行了分析,所研究的双晶片结构为两片压电片直接粘贴在一起,没有考虑中间弹性梁。本文用水热合成法[3]在钛基板上生长PZT薄膜,然后在薄膜上蒸镀铝电极的方法制备带有中间弹性梁的压电双晶片。由于双晶片的性能与PZT薄膜的性质有关,因此本文研究了PZT薄膜的性质并建立了压电双晶片的位移驱动模型。

    1　压电双晶片的水热法制备

    利用水热法在钛基板上生长PZT薄膜由东京工业大学的Y.Ohba[3]等人于1991年首次提出。其原理为在高温高压的反应釜中,Ti基板和包含Pb²⁺、Zr⁴⁺和Ti⁴⁺的碱性前驱液发生化学反应,并在Ti基板上生长PZT薄膜。PZT薄膜的生长过程经成核和结晶生长过程,两者均在高温高压条件下进行。相对其他制备PZT薄膜的方法,水热法具有如下优点[4]:

    (1)因其在水溶液中生长,故PZT薄膜可以制作在三维结构的表面。

    (2)薄膜厚度可通过结晶过程重复次数控制。

    (3)薄膜生长温度低(低于200℃)。

    (4)薄膜可以自发极化,不需要退火处理等。

    本试验的前驱溶液成分参见文献^[5]。通过4次结晶过程后,可在Ti基板的两个表面分别生长厚约15μm的PZT薄膜。为了制作双晶片,首先在PZT薄膜的表面蒸镀一层Al薄膜作为电极,并用导电胶把导线和电极联接在一起,制备完成的PZT薄膜双晶片如图1(a)所示。

    2　PZT薄膜的特性

    2.1　PZT薄膜的物相分析

    利用X2射线衍射(XRD)对PZT薄膜的物相组成进行分析,PZT薄膜的XRD图谱如图2所示。通过试验所得图谱与标准PZT的XRD图谱比较得出:PZT薄膜一般沿(001)、(101)和(002)晶向生长,并沿着(101)晶向择优生长。经两次结晶生长过程后,PZT晶粒结晶性较好。

    PZT薄膜的晶格参数和晶格畸变随Zr/Ti比值的不同而变化,故可由轴率c/a的值判断薄膜物相组成比例和PZT颗粒的形貌^[6]。c/a的确定根据衍射图谱的晶面间距及所对应的d值进行计算,即