一种基于压电陶瓷钎焊的微型多齿压电执行器及制备方法

技术领域

本发明属于微型压电执行器领域，涉及一种基于压电陶瓷钎焊的微型多齿压电执行器及制备方法。

背景技术

微型压电执行器具有结构简单紧凑、响应时间短、电磁兼容性强等特点，在机器人、精密仪器仪表、航空航天、医疗器械等领域有着很广泛的应用前景。微型压电执行器的关键部分为压电陶瓷与弹性体，在压电执行器工作过程中，压电陶瓷由于逆压电效应会带动弹性体产生形变，在弹性体上的驱动足处会形成特定轨迹，并通过接触摩擦作用驱动动子进行运动，因此需要压电陶瓷与弹性体进行良好的连接。

目前微型压电执行器中压电陶瓷与弹性体的连接主要采用有机胶粘接法，将压电陶瓷粘接到弹性体表面，此方法连接精度差，在压电执行器长时间使用过程中，有机物容易发生老化，导致压电陶瓷与弹性体的连接不可靠，并且有机物的导电性较差，会导致微型压电执行器的输出性能受到影响。此外，粘接方法对工艺人员要求较高，难以实现微型化。

专利号为201020219439.0的专利公开的一种压电执行器。其压电执行器的压电陶瓷采用粘接的方式进行固定，精度不高，又由于胶层的柔性连接，传递的振动能量损耗较多，由于工艺问题，本身难以实现微型化。

发明内容

为了解决现有连接方法导电性差、精度不高、连接层易老化失效的技术问题，本发明提出了一种基于压电陶瓷钎焊的微型多齿压电执行器及制备方法，通过焊接的方式实现晶圆级压电功能块材与晶圆级金属基体的连接，焊接层为金属，具有良好的导电性与较高的连接强度，也避免了由于连接层的老化失效降低连接的稳定性，从而影响压电执行器的输出性能。通过MEMS工艺的表面光刻，磁控溅射等工艺对压电陶瓷块材与金属材料的焊接基片进行微加工，提高了微型多齿压电驱动器的工艺精度，避免了传统有机物胶粘工艺引发的精度较低的问题，并实现压电驱动器的微型化和批量化制造。本发明的微型多齿压电执行器，驱动电压低，体积小，推重比大。多个微型多齿压电执行器呈阵列排布于晶圆级压电器件阵列基片上，并由晶圆级压电器件阵列基片分割而成。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于压电陶瓷钎焊的微型多齿压电驱动器，所述的微型多齿压电驱动器包括依次叠层排列的驱动足1、金属基体层2、焊料层3、压电功能层4、分区微电极5、微电极间隔层6、微电极连通线7，以及与微电极间隔层6相连的柔性电路引脚8。

所述的驱动足1为金属齿形结构，位于金属基体层2下方，用于微型多齿压电执行器的摩擦驱动；所述的压电功能层4通过焊接的方式与金属基体层2连接，具体的：压电功能层4与金属基体层2通过焊料层3连接在一起；所述焊料层3为金属材料，与金属基体层2一起构成弹性体结构，并作为电极接收外部控制信号；

所述压电功能层4与驱动足1通过弹性体结构实现刚性连接，使压电功能层4通过逆压电效应产生的振动能够传递给驱动足1，从而产生摩擦驱动的动力；

所述分区微电极制备5位于压电功能层4的上表面；所述微电极间隔层6布置在分区微电极5的上表面，实现对分区微电极5的间隔绝缘；所述微电极连通线7布置在分区微电极5与微电极间隔层6的下表面，实现分区微电极5各部分的连接；所述柔性电路引脚8通过与柔性电路的连接提供对外接口，外部控制信号通过柔性电路引脚8实现对微型多齿压电执行器的实时控制。

一种基于压电陶瓷钎焊的微型多齿压电驱动器的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备的晶圆级压电器件阵列基片

将晶圆级压电功能块材、晶圆级金属基体和晶圆级焊料层进行真空焊接得到晶圆级压电器件阵列基片，焊接温度为850℃至900℃，在2Mpa压力下保温30min。其中，晶圆级压电陶瓷块材用于形成压电陶瓷功能层4，晶圆级焊料用于形成焊料层3，晶圆级金属基体用于形成金属基体层2，焊料层3位于微型多齿压电驱动器的压电功能层4金属基体层2间呈夹心式结构。所述压电功能层4与晶圆级金属基体通过焊料层实现刚性连接；在晶圆级金属基体一侧设有并列排布的呈线状的金属微齿结构。

S2：使用紫外光刻工艺，在压电陶瓷功能层4表面制备分区微电极牺牲层。

S3:使用磁控溅射并剥离的工艺，在压电陶瓷表面制备一层图形化的分区微电极5。

S4：所述分区微电极5在晶圆级压电功能块材一侧的表面，“+”区域极化方向为正，“-”区域极化方向为负，用于对压电功能层4的极化。

S5:使用紫外光刻工艺在压电陶瓷功能层4表面制备微电极间隔层6。

S6:使用磁控溅射的工艺，对压电陶瓷功能层4与微电极间隔绝缘层6的表面制备金属层。

S7:使用紫外光刻工艺，在金属层的表面制备微电极连通线7的掩蔽层，实现对微电极连通线7的保护。

S8:使用湿法腐蚀工艺，对未被掩蔽层保护的部分进行湿法腐蚀，去除表面的掩蔽层后，得到微电极连通线7，实现分区微电极5的连接。

S9:使用切割技术对上述制备的晶圆级压电器件阵列基片进行切割，得到单个微型多齿压电执行器。

S10：制备柔性电路层12，将柔性电路层粘贴至微电极连通线7的上表面，作为激励信号的输入与反馈通道。

本发明的有益效果为：

相较于传统的有机物粘接工艺，本发明的微型多齿压电执行器采用焊接技术实现了压电陶瓷块材与金属弹性体的刚性连接，避免了传统压电驱动器中压电陶瓷粘接对传递能量有损失，胶层容易老化的问题，显著提高了用压电陶瓷与金属弹性体间的结合强度，同时结合MEMS工艺，完成压电驱动器的微型化和批量化制造，为高端精密仪器、狭窄空间内的驱动提供了更广阔的发展空间。

附图说明

图1(a)和图1(b)为实施例中的微型多齿压电执行器三维示意图。

图2为实施例中的制备流程工艺。

图3为实施例中的焊接装配示意图。

图4为实施例中的驱动足示意图。

图5为实施例中的分区微电极示意图。

图6为实施例中的微电极间隔层示意图。

图7为实施例中的微电极连通线示意图。

图8为实施例中的柔性电路层示意图。

图9为实施例中的微型多齿压电执行器制备工艺流程示意图。

图中：1驱动足，2金属基体层，3焊料层，4压电功能层，5分区微电极，6微电极间隔层，7微电极连通线，8柔性电路引脚，9金属基体，10焊料，11压电陶瓷块材，12柔性电路层。

具体实施方案

以下结合技术方案和附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本实施例的微型多齿压电执行器包括驱动足1，金属基体层2，焊料层3，压电功能层4，分区微电极5，微电极间隔层6，微电极连通线7，柔性电路引脚8。所述驱动足1为金属齿形结构；所述压电功能层4使用焊接的方式将压电功能层4与金属基体层2通过焊料层3连接在一起；所述焊料层3为金属材料，和金属基体层2一起构成弹性体结构，并作为下电极接收外部控制信号；所述压电功能层4与驱动足1通过弹性体结构实现刚性连接，使压电功能层4通过逆压电效应产生的振动能够传递给驱动足1从而实现对转子的摩擦驱动；所述分区微电极制备5在压电功能层4的表面；所述微电极间隔层6制备在分区微电极5的表面，实现对分区微电极5的间隔绝缘；所述微电极连通线7制备在分区微电极5与微电极间隔层6的表面，实现分区微电极5各部分的连接；所述柔性电路引脚8通过与柔性电路的连接提供对外接口，外部控制信号通过所述柔性电路引脚8实现对微型多齿压电执行器的实时控制。

如图2所示，实施例的具体实施步骤如下：

1.压电陶瓷块材与金属基体的焊接件制备

对压电陶瓷块材11与金属基体9依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗。按照3所示依次对压电陶瓷块材11、焊料10、金属基体9进行装配。将装配好后的压电陶瓷块材11、焊料10、金属基体9放入真空焊接炉，施加2Mpa的压力进行焊接。焊接温度为880℃，保温时间为30min，焊接完成后，即实现压电陶瓷块材与金属基片的一体化，实现刚性连接。其中，压电陶瓷块材11形成压电陶瓷功能层4，焊料10形成焊料层3，金属基体9形成金属基体层2。

2.焊接件的电极制备与极化

按照图4所示，通过高精密机械加工，在焊接件的金属部分加工微齿形。通过紫外光刻技术，在压电陶瓷功能层表面制备分区微电极5的牺牲层，通过磁控溅射并剥离的工艺，在压电陶瓷表面制备一层图案化的分区微电极5。分区微电极5制备完成后，对压电陶瓷功能层进行极化(如图5所示)，“+”区域极化方向为正，“-”区域极化方向为负，恢复其压电性能。

3.焊接件的微电极间隔层与微电极连通线的制备

按照图6所示，通过紫外光刻技术在压电陶瓷功能层表面制备微电极间隔层6。通过磁控溅射的方式，对压电陶瓷功能层与微电极间隔绝缘层6的表面制备金属层，通过紫外光刻技术，在金属层的表面制备微电极连通线7的掩蔽层，实现对微电极连通线7的保护。通过湿法腐蚀的方式，对未被掩蔽层保护的部分进行湿法腐蚀，去除表面的掩蔽层后，得到微电极连通线7(如图7所示)，实现微电极的连接。

4.焊接件的分离与柔性电路层的连接

通过切割技术对焊接件进行切割，可得到88个微型多齿压电执行器，其尺寸为mm级。

5.制备如图8所示的柔性电路层12，将柔性电路层12粘贴至微电极连通线7表面，作为激励信号的输入与反馈通道，最后，对压电陶瓷功能层施加正弦交流激励电压。

微型多齿压电执行器使用焊接的方式实现晶圆级压电功能块材与晶圆级金属基体的连接，通过相关MEMS工艺，实现了其微型化和批量化制备，显著提升了微型多齿压电执行器的生产速度和良品率。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。