[發明專利]一種螺旋管式壓電彈簧及其制備方法

有效

• 申請號: 201610102634.7
• 申請日: 2016-02-24
• 公開（公告）號: CN105633270B
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（設計）人: 曹自平;王祥東;朱洪波
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01L41/08
• 分類號: H01L41/08;H01L41/22
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李湘群

本發明公開一種螺旋管式壓電彈簧及其制備方法。該壓電彈簧為螺旋管狀結構，壓電彈簧從內至外包括金屬內芯、壓電材料層和外電極層。該制備方法首先把金屬內芯繞制成螺旋管狀結構；然后使用提拉法把螺旋管狀內芯從壓電前驅體溶液中提出，隨后使用溫度梯度爐進行熱處理，如此反復多次，直到達到所需厚度；最后使用蒸鍍法在螺旋管狀結構上均勻蒸鍍金屬外電極，之后經過極化處理，而得到螺旋管式壓電彈簧。本發明在較小的外力作用下就可以產生較大的形變，這在進行力的測量或傳感時能夠獲得極高的靈敏度和線性度；同時，在采集一些具有較大運動幅度的機械能并把之轉換為電能時，壓電彈簧由于能夠承受較高的形變量，使得機械能采集裝置更易設計和實施。

技術領域

本發明涉及電子壓電材料和器件技術領域，具體涉及一種螺旋管式壓電彈簧的制備方法。

背景技術

隨著電子技術、信息技術和控制技術的快速發展,要求器件小型化和集成化,這對傳統的功能材料提出了各種新的要求。壓電材料由于其優良的壓電性能、熱電性能、鐵電性能、光電性能和介電性能被廣泛地應用于傳感器、驅動器和各種精密儀器的控制部分。壓電功能的應用已從最初的簡單的壓電振子、拾音器等發展到能源、信息、軍事以及其他高新技術領域。由壓電材料制備的傳統壓電器件的結構多為“三明治”式片狀結構，由于性能優良、制備過程簡單和生產成本較低等特點而被廣泛應用。然而這種片狀結構有一個無法克服的缺點是形變量較小，在測試形變量大或者位移量大的場景時，以及采集運動幅度變化量大過程中的機械能并把之轉化為電能時，往往受到極大的限制。

發明內容

針對現有技術中壓電器件存在的上述問題，本發明提供一種螺旋管式壓電彈簧及其制備方法。

本發明提供一種螺旋管式壓電彈簧，所述壓電彈簧為螺旋管狀結構，壓電彈簧從內至外包括金屬內芯、壓電材料層和外電極層，所述金屬內芯為螺旋管狀結構，所述壓電層由金屬內芯從壓電前驅體溶液中提出并經過溫度梯度爐熱處理后生成，所述外電極采用真空蒸鍍法制備而成，外電極均勻蒸鍍在壓電彈簧的表面。

本發明還提供一種螺旋管式壓電彈簧的制備方法。該制備方法首先把的金屬內芯繞制成螺旋管狀結構，然后使用提拉法把螺旋管狀內芯從壓電前驅體溶液中提出，隨后使用溫度梯度爐進行熱處理。如此反復多次，直到達到所需厚度，最后使用蒸鍍法在螺旋管狀結構上均勻蒸鍍金屬外電極，之后經過極化處理，而得到螺旋管式壓電彈簧。

進一步，壓電彈簧的外形是螺旋管狀結構，該螺旋管狀結構由三層組成，分別是金屬內芯、壓電材料層和外電極層。其中，金屬內芯由含鐵或含鈦或含銅或鎳的金屬線材制備而成，并繞制成螺旋管狀結構。壓電層是由金屬內芯從壓電前驅體溶液中提出后并經過溫度梯度爐熱處理后而生成的，并通過反復從壓電前驅體溶液中提拉和溫度梯度爐熱處理過程而達到指定的厚度。

進一步，溫度梯度爐是一個管式加熱爐，該加熱爐的中部加熱區溫度顯著高于兩端部加熱區的溫度，即中部加熱區與兩端部加熱區存在溫度梯度。

進一步，螺旋管式壓電彈簧的外電極采用真空蒸鍍法制備而成，在蒸鍍時同時保持壓電彈簧沿不同的旋轉軸進行旋轉，使得外電極均勻蒸鍍在壓電彈簧的表面。所述螺旋管式壓電彈簧的制備方法具體步驟包括：

1)把耐高溫的金屬內芯繞制成螺旋管狀結構，作為制備壓電彈簧的金屬內芯，之后，制備壓電前驅體溶液作為壓電層制備的原材料。

2)將制備好的壓電前驅體溶液放入燒杯中，將螺旋管式的金屬內芯懸掛到事先準備好的電機上，同時，使得螺旋管式的彈簧通過中間溫度較高的溫度梯度爐。將裝有壓電前驅體溶液的燒杯放在管式電爐下方，啟動電機，使得螺旋管式的彈簧均勻的浸潤在壓電前驅體溶液中，浸潤后，將螺旋管式的彈簧吊起，在溫度梯度爐內高溫加熱，使得壓電薄膜均勻的涂布在螺旋管式的金屬內芯上。單層壓電層涂布完成之后，需要對步驟二反復進行多次，直到達到所需的壓電層厚度。