你見過這樣的電路板嗎？——壓電陶瓷電路板

壓電陶瓷，一種能夠?qū)?a target="_blank">機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機(jī)非金屬材料。這是一種具有壓電效應(yīng)的材料。它在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。由壓電陶瓷構(gòu)成的超高精度、低能耗、控制簡(jiǎn)便的驅(qū)動(dòng)器 ,在精密工程中起到了非常重要的作用。

壓電效應(yīng)的原理可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)：

瓷片壓縮，極化強(qiáng)度變小，釋放部分吸附自由電荷，出現(xiàn)放電現(xiàn)象。外力撤除，瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度變大，吸附一些自由電荷，出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)。

正壓電效應(yīng)示意圖

反之，在瓷片上施加與極化方向相同電場(chǎng)。極化強(qiáng)度增大，瓷片發(fā)生伸長(zhǎng)或者縮短形變。這種由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)。

逆壓電效應(yīng)示意圖

而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)），這就是我們平常所說的超聲波信號(hào)。也就是說，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，這種相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系確實(shí)非常有意思。正是因?yàn)檫@種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來的飛行器設(shè)計(jì)中占有重要的地位。目前應(yīng)用最廣泛的壓電陶瓷材料是以鋯鈦酸鉛(PZT)為基，通過用B位離子M92+、Nb5+、Ta5+進(jìn)行單獨(dú)或復(fù)合取代，形成ABO3結(jié)構(gòu)的復(fù)合鈣鈦礦型的固溶體類陶瓷材料。

國(guó)內(nèi)對(duì)壓電陶瓷材料的研究開始于五十年代末期，比國(guó)外晚了十年左右。經(jīng)過幾十年的努力，我國(guó)的壓電陶瓷有了很大發(fā)展。21世紀(jì)初葉，低溫壓電陶瓷的改進(jìn)對(duì)于壓電陶瓷廣泛用于電子技術(shù)領(lǐng)域起了巨大的推動(dòng)作用。然而，由于壓電陶瓷硬度高、脆性大、難于加工。因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壓電陶瓷體的制造一直是一大難題。清華大學(xué)材料系新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室GuoDongt利用凝膠注模成型(gelcasting)制備PZT壓電陶瓷，解決了壓電陶瓷制備中亟待解決的問題。同時(shí)低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷也抑制了燒結(jié)滲銀過程中銀離子向陶瓷內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散。我們知道，陶瓷屬于絕緣介質(zhì)，只有經(jīng)過極化后的陶瓷才有壓電性。但是陶瓷不能象金屬那樣被直接極化，必須先被金屬化。

壓電陶瓷是絕緣體，必須在陶瓷元件工作部位的表面上涂覆一層具有高導(dǎo)電率、結(jié)合牢固的金屬作為電極(一般為銀電極)。電極的作用有兩方面：一是在強(qiáng)絕緣體表面附著的金屬電極承受高壓電場(chǎng)，以利于充分極化；二是在陶瓷元件表面聚集電荷和傳遞電荷。斯利通專注于各種新型陶瓷材料的金屬化領(lǐng)域，通過大量的研發(fā)和試驗(yàn)，最終研究出一種新型薄膜生產(chǎn)工藝取代傳統(tǒng)被銀工藝，既節(jié)省了成本（用金屬銅層取代銀層），同時(shí)具備直接制作導(dǎo)通線路圖形的能力。壓電陶瓷在覆銅前需要保證表面光潔度，不能有油污類污染，需用特殊藥水對(duì)其表面進(jìn)行清潔，不可采用常規(guī)堿性溶液處理表面臟污。鍍膜時(shí)瓷片需要平鋪在爐體底部，偏壓調(diào)試到合適值，以免產(chǎn)生擊裂。鈦層控制在200NM左右，銅層控制在300UM左右，鍍膜之后需要立即進(jìn)行一次銅，將表面疏松的銅層保護(hù)起來，如需制作出條狀銅線路，需要進(jìn)行線路轉(zhuǎn)移，制作出相應(yīng)的線路層后進(jìn)行二次鍍銅。完成后使用藥水將表面干膜層取出掉，這里不可以使用堿性溶液，因?yàn)榇善话闶菃蚊娣筱~，背面浸泡在堿性溶液過久會(huì)溶解或更加催化，以致于粉碎。取出掉干膜后，表面使用純水清洗干凈，吸干水分烘干即可得到成品。

近年來，PZT壓電陶瓷在以下方面得到了廣泛的應(yīng)用：

1、高位移新型壓電致動(dòng)器

自從發(fā)明壓電致動(dòng)器特別是多層壓電致動(dòng)器以來，其應(yīng)用日益擴(kuò)大，特別是精密定位方面?，F(xiàn)在多層壓電致動(dòng)器在國(guó)外已經(jīng)大量地應(yīng)用于汽車的燃料注入系統(tǒng)和懸置系統(tǒng)。

壓電陶瓷超聲馬達(dá)

2、壓電變壓器壓電變壓器

從50年代就己開始研制，但是直到90年代才進(jìn)入商品化，獲得成功的應(yīng)用。壓電陶瓷變壓器體積小，質(zhì)量輕，可以做成扁平形狀，它實(shí)際上沒有電磁噪聲，只產(chǎn)生有限的熱，而轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95％，所以90年代隨著薄形電源以及高頻(大于2 MHz)開關(guān)電源對(duì)壓電變壓器迫切要求，對(duì)壓電變壓器的研制又重新活躍起來?，F(xiàn)在己研制成多層壓電變壓器，最大功率已超過50 W，并且己大量地應(yīng)用在筆記本式計(jì)算機(jī)液晶顯示器的背光電源以及復(fù)印機(jī)和傳真機(jī)的高壓電源。

筆記本電腦背光電源

3、用于主動(dòng)減震和降噪的壓電器件

許多機(jī)械結(jié)構(gòu)往往會(huì)發(fā)生振動(dòng)，由此又常常會(huì)引發(fā)噪聲，對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的減振降噪控制(如運(yùn)行的機(jī)械、潛艇殼體、航空航天飛行器以及艙內(nèi))，具有重要的意義。特別是大型精密的航空航天的撓性結(jié)構(gòu)，一般質(zhì)量輕，阻尼小，一旦發(fā)生振動(dòng)，其衰減過程十分緩慢；長(zhǎng)期如此便會(huì)影響到結(jié)構(gòu)運(yùn)行的精度，甚至?xí)l(fā)結(jié)構(gòu)疲勞、失穩(wěn)等現(xiàn)象，因此對(duì)撓性結(jié)構(gòu)的減振研究是十分必要的。傳統(tǒng)的被動(dòng)減振降噪方法是通過增加質(zhì)量、阻尼、剛度、或者是通過結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)而改變系統(tǒng)的特性。壓電材料自身具有的正反壓電效應(yīng)，使其成為撓性結(jié)構(gòu)主動(dòng)分布控制中檢測(cè)器與執(zhí)行器的理想材料。

4、醫(yī)用微型壓電陶瓷傳感器

美國(guó)密蘇里一羅拉大學(xué)陶瓷工程系的W．Huebner教授研制出一種微型電壓陶瓷傳感器，它比人的頭發(fā)還要細(xì)小，可以將它用來幫助醫(yī)生探測(cè)病人的心臟附近，如冠狀動(dòng)脈，具有潛在致命危險(xiǎn)的膽固醇的累積情況，使用時(shí)，將這種十分細(xì)小的傳感器插入動(dòng)脈血管并通過微細(xì)光纜輸送到心臟部位，用來診斷有生命危險(xiǎn)的膽固醇堵塞部位的位置和厚度，為在血管內(nèi)采用激光外科手術(shù)將其清除鋪平道路。

斯利通壓電陶瓷覆銅基板

審核編輯黃宇