[發明專利]一種周期性正交極化的大應變壓電陶瓷致動器及制備方法

有效

• 申請號: 201710257593.3
• 申請日: 2017-04-19
• 公開（公告）號: CN107093664B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 李法新;王強中;苗鴻臣
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L41/04
• 分類號: H01L41/04;H01L41/09;H01L41/257
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種周期性正交極化的大應變壓電陶瓷致動器，其特征在于，所述大應變壓電陶瓷致動器包括：壓電陶瓷板和電極；其中，所述壓電陶瓷板的形狀為l×w×h的長方體，長方體的高為h，水平尺寸為l×w，水平方向包括互相垂直的第一方向和第二方向，均與高度方向垂直，第一方向的長度為l，第二方向的長度為w，沿著壓電陶瓷板的高度方向取向的電疇為c疇，向上為c⁺疇，向下為c^-疇，沿著壓電陶瓷板的第二方向取向的電疇為a疇，向上為a⁺疇，向下為a^-疇；沿第一方向，所述壓電陶瓷板包括n個基本疇單元，n≥1；每一個基本疇單元包括兩個c疇及二者之間的一個a疇，兩個c疇的取向一致；相鄰的兩個基本疇單元共用一個c疇，或者具有獨立的c疇；各個基本疇單元的c疇的取向相同，a疇的取向相同或不同；在壓電陶瓷板的兩個水平表面l×w分別設置有電極，連接至外部的驅動電壓，驅動電壓施加的電場的方向與c疇的取向一致；外部的驅動電壓通過電極向壓電陶瓷板施加單向正電場，每一個基本疇單元在單向正電場的作用下，c疇由于壓電效應發生伸長變形，a疇由于電場方向與取向垂直，產生非180°疇變，a疇由非180°疇變引起的疇變應變顯著大于與其相鄰的c疇由壓電效應引起的壓電應變，從而在a疇和c疇的界面由于應變失配產生失配應力，失配應力使翻轉的a疇處于受壓狀態，兩側的c疇處于受拉的狀態；當電場撤去，在電場作用下發生疇變的a疇將在失配應力的作用下發生回復翻轉，從而使致動應變回到零點，實現可恢復致動應變。

2.如權利要求1所述的大應變壓電陶瓷致動器，其特征在于，所述壓電陶瓷板采用鐵電型的壓電陶瓷。

3.如權利要求1所述的大應變壓電陶瓷致動器，其特征在于，包括多層壓電陶瓷板；所述多層壓電陶瓷板沿高度方向疊放；上下相鄰的兩層壓電陶瓷板的c疇的取向相反，a疇的取向相互垂直；上下相鄰的兩層壓電陶瓷板共用一個電極面，連接至外部的驅動電壓的同一電極；每一層的壓電陶瓷板的兩個相對的水平表面分別連接至外部的驅動電壓的相反的電極。

4.一種周期性正交極化的大應變壓電陶瓷致動器的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：

1)將燒結好的壓電陶瓷切割成l×w×h的長方體，形成壓電陶瓷板，長方體的高為h，水平尺寸為l×w，水平方向包括互相垂直的第一方向和第二方向，均與高度方向垂直，第一方向的長度為l，第二方向的長度為w；

2)沿高度方向極化：

在l×w面制備上電極，將壓電陶瓷板沿高度方向極化，形成c疇，極化好后去掉電極；

3)沿第二方向極化：

虛擬地將壓電陶瓷板沿第一方向分割成小塊，間隔地在小塊的l×h面上制備電極，將虛擬的小塊沿第二方向極化，形成a疇，極化好后去掉電極，從而得到沿第一方向，壓電陶瓷板包括n個基本疇單元，n≥1，每一個基本疇單元包括兩個c疇及二者之間的一個a疇，兩個c疇的取向一致，相鄰的兩個基本疇單元共用一個c疇，或者具有獨立的c疇，各個基本疇單元的c疇的取向相同，a疇的取向相同或不同；

4)在壓電陶瓷板的兩個水平表面l×w分別制備電極，連接至外部的驅動電壓，驅動電壓施加的電場的方向與c疇的取向一致；

5)外部的驅動電壓通過電極向壓電陶瓷板施加單向正電場，每一個基本疇單元在單向正電場的作用下，c疇由于壓電效應發生伸長變形，a疇由于電場方向和取向垂直，將產生非180°疇變，a疇由非180°疇變引起的疇變應變的伸長量顯著大于與其相鄰的c疇由壓電效應引起的壓電應變的伸長量，從而在a疇和c疇的界面由于應變失配產生失配應力，失配應力使翻轉的a疇處于受壓狀態，兩側的c疇處于受拉的狀態；當電場撤去，在電場作用下發生疇變的a疇將在失配應力的作用下發生回復翻轉，從而使致動應變回到零點，實現可恢復致動應變。

5.如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，還包括將多層壓電陶瓷板沿高度方向疊放；上下相鄰的兩層壓電陶瓷板的c疇的取向相反，a疇的取向相互垂直；上下相鄰的兩層壓電陶瓷板共用一個電極面，連接至外部的驅動電壓的同一電極；每一層的壓電陶瓷板的兩個相對的水平表面分別連接至外部的驅動電壓的相反的電極。

6.如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，在步驟1)中，壓電陶瓷板采用鐵電型的壓電陶瓷。