钛酸铋钠钾无铅压电厚膜的制备及表征

　　压电厚膜材料(10~100μm)与薄膜材料相比,其电性能受界面、表面等影响较少,较大的厚度能产生更大的驱动力,且具有高灵敏度和宽工作频率[1]。与体材料相比,压电厚膜工作电压低(<5 V),使用频率高,与半导体工艺兼容。因此,压电厚膜材料被广泛应用于微型驱动器、压电微马达、微流体泵、喷墨打印头、超声换能器、助听器、声纳水听器及微电子机械系统。采用陶瓷减薄技术制备厚膜时,研磨抛光的过程中因厚度太小易受外界施力而产生破裂,成品率约为5%,因此,无法向下跨越100μm的限制。压电薄膜制作方法中,如溅射法、脉冲激光(PLD)法、溶胶-凝胶(Sol-Gel)法、物理气相沉积(PVD)与化学气相沉积(CVD)不但设备和原材料昂贵,很难制备厚度超过10μm的压电膜,且必须采用新方法来制备压电厚膜材料。丝网印刷法具有与微电子机械系统(MEMS)技术完全兼容,厚度可控制,适合制备10~100μm的压电厚膜,且设备简单,成本低[2],已被用来制备铅基压电厚膜[3]。传统的压电材料体系,其中PbO(或Pb3O4)约占原料总质量的70%,在制备、使用过程及废弃后处理过程中都会给环境和人类健康带来损害。近年来,研发新型环境友好的铁电、压电材料已成为世界发达国家致力研发的热点材料之一[4]。钛酸铋钠压电材料被认为是最具潜力的无铅压电体系之一,最近,有关钛酸铋钠基陶瓷固溶体和掺杂改性的研究较多[5-6]。本文采用印刷法在氧化铝衬底上制备出致密的钛酸铋钠钾厚膜,并研究其介电、铁电及压电性能。

　　1　实验

　　先按传统固相法制备陶瓷粉体,按(Na0.8K0.18)0.5Bi0.5TiO3计量比准确称量分析纯的TiO2、Bi2O3、Na2CO3、K2CO3,加无水乙醇经QM-BP型行星球磨机球磨4 h,干燥、过筛、预压后在800℃与850℃下各预烧2 h,再球磨6 h、干燥、过筛即可。按5%质量比称取一定量的乙基纤维素加入到松油醇中在55℃下搅拌至完全溶解即得粘合剂溶液,将陶瓷粉体与粘合剂溶液按3∶1的质量比混合碾磨后,加入质量比为2%的二乙二醇丁醚醋酸酯作分散剂,1%的邻苯二甲酸二丁酯作增塑剂,再倒入球磨罐中球磨2 h即得待印浆料,经过30 min超声处理后,用320目筛印刷至带有Pt电极,尺寸为20 mm×15 mm×0.5 mm的氧化铝衬底上,经过10 min放平,然后120℃下烘烤10 min,再放入快速热处理炉中550℃预烧去有机物,重复印刷8层后将厚膜素坯在250 MPa压力下等静压5 min,最后放入马弗炉进行1 140℃烧结保温30 min(升温速率为5℃/min),即得钛酸铋钠钾(BNKT)无铅压电厚膜。

　　环境扫描(ESEM)采用荷兰FEI公司Quanta200型扫描电境,环境真空模式分辨率为3.0 nm(30 kV),加速电压200V~30 kV,介电性能测试和阻抗频谱分析采用HP 4129A阻抗分析仪(5 Hz~13 MHz),电滞回线测量采用实验室自制设备ZT-2型铁电性能计算机测试系统,压电性能测试是将厚膜从基片下剥离后,将厚膜放入80℃硅油中采用YJ32-2型晶体管直流稳压器施加75 kV/cm的电场极化10 min,再采用ZJ-3A型准静态d33测量仪进行测量,测量频率为100 Hz。