PZT压电微结构的沉积与直写成型工艺研究

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PZT厚膜及PZT三维压电微结构具有优异的压电与机械特性,在航空航天、生物医学和信息通讯等领域应用前景广泛。电射流沉积技术是微纳尺度结构增材制造的重要方法,具有可控性强、成型分辨率高、材料适应性广等优点。浆料直写成型技术是一种常温下的固体无模成型技术,通过流体浆料在基板上的可控沉积来实现三维结构的制备。本文构建了PZT压电微结构沉积/直写成型实验平台,将PZT厚膜与PZT三维压电微结构的制备工艺进行了整合。配制了PZT复合悬浮液和PZT浆料,分别开展了压电微悬臂梁PZT厚膜功能层的电射流沉积和三维压电微结构的直写成型实验研究。此外,本文针对PZT厚膜热处理实验中的现象,提出了一种PZT块材/硅扩散键合方法,并对其进行了实验研究。首先,设计并构建了PZT压电微结构沉积/直写成型实验平台,保证了PZT电射流沉积实验中沉积高度、流量、电压等参数的有效、简易调节;通过更换喷针,可满足PZT电射流沉积与PZT直写成型实验的不同需求;开发了PZT压电微结构沉积/直写成型实验平台控制系统软件,实现了X-Y轴运动平台、Z轴运动平台和注射泵的协同控制。其次,研究了退火温度与退火时间对硅衬底PZT厚膜晶相及微观组织结构的影响,确定了其较为合适的退火工艺参数;进行了PZT块材/硅的高温处理实验,提出了PZT块材/硅扩散键合方法,设计并制作了PZT块材/硅扩散键合夹具;研究了键合温度和键合时间对PZT块材/硅扩散键合质量的影响,表征了不同实验条件下键合层的厚度。然后,制备了PZT溶胶及适用于模板辅助电射流沉积工艺的PZT悬浮液,对其进行了性质表征;基于配制的PZT悬浮液,通过电射流沉积技术制备了压电微悬臂梁PZT厚膜功能层,并对其进行了极化处理;对PZT厚膜的压电性质、介电性质及压电微悬臂梁的阻抗特性进行了表征,PZT厚膜的压电常数d33约为70pC/N,50kHz频率下的相对介电常数和介电损耗分别为198和0.053,压电微悬臂梁最高谐振频率达7.6MHz。最后,制备了适用于直写成型工艺的PZT浆料,对其进行了性质表征;基于配制的PZT浆料,通过直写成型工艺制备了圆形墙壁、方形块材和方形支架等PZT三维压电结构;探究了1200℃退火温度条件下,不同保温时间对所制备的PZT块材压电结构微观组织结构的影响,确定了其适宜的退火保温时间;对所制备的PZT块材压电结构进行了极化处理,并对其压电性质和介电性质进行了表征,压电常数d33约为200pC/N,50kHz频率下的相对介电常数和介电损耗分别为1200和0.13。
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