मल्टीलेयर पीजेडटी चिप पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक माइक्रोएक्चुएटर के विस्थापन प्रदर्शन पर अनुसंधान (1)

पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक माइक्रो-एक्चुएटर्स नए प्रकार के सॉलिड-स्टेट एक्चुएटर्स हैं जो व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग करके बनाए गए हैं। इनका व्यापक रूप से उच्च तकनीकी क्षेत्रों जैसे सटीक प्रकाशिकी, माइक्रोमैकेनिक्स, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स और कंप्यूटर अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। इन अनुप्रयोगों के लिए पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक उपकरणों को छोटा, कम ड्राइविंग वोल्टेज, बड़े विस्थापन और एकीकरण की आवश्यकता होती है। अतीत में, एक चिपकने वाले पदार्थ के साथ पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक को जोड़कर बनने वाले मल्टीलेयर पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक माइक्रोएक्चुएटर्स एकल सिरेमिक डायाफ्राम की मोटाई से प्रभावित हुए हैं। सीमा (200 माइक्रोमीटर या उससे कम की मोटाई के साथ सिरेमिक मोनोलिथिक बनाना काफी कठिन है), डिवाइस को छोटा और एकीकृत नहीं किया जा सकता है, और डिवाइस में चिपकने वाला क्योंकि डिवाइस विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत बड़े रेंगना उत्पन्न करता है, जो विस्थापन नियंत्रण की सटीकता के लिए अनुकूल नहीं है, विशेष रूप से लंबे समय तक उच्च विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत डिवाइस, चिपकने वाला आसानी से गिर जाता है पीजो रिंग वेल्डिंग कॉम्पोनेट्स शीट, जिससे डिवाइस का प्रदर्शन खराब हो जाता है, और यहां तक ​​कि डिवाइस फ्रैक्चर की घटना भी हो जाती है, जिससे डिवाइस की सेवा जीवन छोटा हो जाता है, जिससे एप्लिकेशन को बहुत लाभ होता है। हाल के वर्षों में, पीजोसेरामिक्स की ग्रीन कास्टिंग प्रक्रिया और कास्ट पीजोसेरामिक्स ग्रीन फिल्म की सह-फायरिंग तकनीक और आंतरिक इलेक्ट्रोड सिरेमिक माइक्रो-एक्चुएटर (एमएमपीए) का उपयोग करके प्राप्त मल्टीलेयर चिप पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक एक नए प्रकार का कार्यात्मक सिरेमिक उपकरण है, जो उत्कृष्ट प्रदर्शन के साथ बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त है। यह मल्टीलेयर चिप डिवाइस कास्टिंग प्रक्रिया के कारण 100 माइक्रोन से कम की फिल्म मोटाई का उत्पादन करना आसान है। फायरिंग के बाद, पीजो सिरेमिक परतें चिपकने वाले बंधन की आवश्यकता के बिना सीधे आंतरिक इलेक्ट्रोड से जुड़ी होती हैं। इसलिए, डिवाइस को छोटा और छोटा किया जा सकता है, डिवाइस के रेंगने के प्रदर्शन में भी काफी सुधार होता है, और सिरेमिक परतों के बीच लेयरिंग घटना में काफी सुधार होता है। इसे प्रभावी ढंग से दूर किया जाता है, जिससे डिवाइस की सेवा जीवन में काफी सुधार होता है। यह लेख सिरेमिक कास्टिंग तकनीक और सिरेमिक ग्रीन फिल्म / मेटल आंतरिक इलेक्ट्रोड सह-फायरिंग तकनीक का उपयोग करके बनाए गए मल्टीलेयर चिप प्रकार और उच्च लीड पीजेडटी सिस्टम दबाव की रिपोर्ट करता है। इस देश में इलेक्ट्रिक सिरेमिक माइक्रो-एक्चुएटर का यह पहला मौका है। यह पेपर मुख्य रूप से इस उपकरण की स्थिर और गतिशील विस्थापन विशेषताओं का अध्ययन करता है।

 मल्टीलेयर चिप पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक माइक्रो-एक्चुएटर की तैयारी

मल्टीलेयर चिप पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक माइक्रो-एक्चुएटर तैयार करने के लिए प्रक्रिया प्रवाह को 10 मुख्य प्रक्रिया चरणों से गुजरना पड़ता है: सबसे पहले, एक बड़े पीजोइलेक्ट्रिक स्ट्रेन गुणांक के साथ एक नरम PZT टर्नरी पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पाउडर एक इलेक्ट्रॉनिक पीजो सिरेमिक तैयारी प्रक्रिया द्वारा तैयार किया जाता है, आणविक सूत्र xPb(Zn1/3Nb2/3)O3+yPbZrO3+zPbTiO3,(PZN-PZ-PT) है। (x+y+z=1), 

फिर, एक समान सिरेमिक घोल प्राप्त करने के लिए पीजेडटी सिरेमिक पाउडर और कार्बनिक योजक को एक निश्चित ठोस / तरल अनुपात में समान रूप से मिश्रित किया जाता है, और सिरेमिक घोल को कास्टिंग के लिए एक कास्टिंग मशीन पर हॉपर में डाला जाता है। और जैविक वाहक गति एक निश्चित मोटाई के साथ एक समान, घने, डाली हरी फिल्म तैयार करने के लिए। डाली गई हरी फिल्म को एक निश्चित आकार की पीजेडटी सिरेमिक हरी फिल्म में छिद्रित किया जाता है, और एक पैटर्न इलेक्ट्रोड पेस्ट के साथ एक पैटर्न बनाया जाता है, और फिर इलेक्ट्रोड के साथ मुद्रित सिरेमिक हरी फिल्म को एक विशेष सांचे में रखा जाता है और एक बहुपरत पीजो सिरेमिक प्राप्त करने के लिए एक निश्चित क्रम में टुकड़े टुकड़े किया जाता है। डिवाइस के सक्रिय क्षेत्र के आकार के अनुसार कई मल्टीलेयर सिरेमिक उपकरणों के मल्टीलेयर बॉडी को काटने के बाद, उन्हें एक शुद्ध Al2O3 क्रूसिबल में डालें और धीरे-धीरे उन्हें एक साथ पैक करें। मल्टीलेयर चिप डिवाइस के दोनों सिरों को एजी बाहरी इलेक्ट्रोड, 650 सी चांदी जला, उच्च तापमान ध्रुवीकरण (ध्रुवीकरण समय 30 मिनट, विद्युत क्षेत्र 4000V / मिमी, तापमान 140 सी) से ढक दिया गया है। संवहन मोटी फिल्म और उच्च तापमान आंतरिक इलेक्ट्रोड, और अंत में 5 मिमी × 6 मिमी के सक्रिय क्षेत्र और 2 मिमी की कुल मोटाई के साथ एक बहुपरत चिप पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक माइक्रो-एक्चुएटर प्राप्त किया (पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक परत 35 परतें हैं, प्रत्येक परत 47 माइक्रोन मोटी है और ऊपरी और निचली सतह परतें लगभग 120 माइक्रोन मोटी हैं)।

परीक्षण नमूना

पीज़ोइलेक्ट्रिक स्ट्रेन d33 का गुणांक पीजो सिरेमिक कंपोनेट्स को चीनी विज्ञान अकादमी के ध्वनिकी संस्थान द्वारा मापा गया था। मल्टीलेयर डिवाइस के माइक्रो-एरिया माइक्रोस्ट्रक्चर को चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज की इंस्ट्रूमेंट फैक्ट्री द्वारा निर्मित स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) के साथ देखा गया था। इलेक्ट्रिक सिरेमिक माइक्रो-एक्चुएटर के विस्थापन मूल्य का परीक्षण उत्पादित डीजीएस-6 डिजिटल डिस्प्ले इंडक्शन परीक्षक द्वारा किया जाता है। रिज़ॉल्यूशन 0.01 μm है। डोपेल प्रभाव के सिद्धांत के अनुसार गतिशील विस्थापन का परीक्षण एकल लेजर बीम द्वारा किया जाता है। रिज़ॉल्यूशन 0.005μm है।

 3) परिणाम और चर्चा

एक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के लिए निरंतर बाहरी तनाव के अधीन होते हैं, जब एक वोल्टेज इसकी मोटाई दिशा (ध्रुवीकरण दिशा) के लंबवत दो सतहों पर लागू होता है, और रैखिक विरूपण के लिए केवल पीजोइलेक्ट्रिक विरूपण पर विचार करते हुए, यह पीजोइलेक्ट्रिक समीकरण से जाना जा सकता है कि दबाव। अनुदैर्ध्य मोटाई दिशा में विद्युत सिरेमिक का विस्थापन Δll व्यक्त किया जाता है।    

                        
जहां d33 पीजोइलेक्ट्रिक स्ट्रेन गुणांक है, V लागू वोल्टेज है, और t सिरेमिक मोनोलिथ की मोटाई है। समीकरण से पता चलता है कि जब लागू वोल्टेज परिवर्तन की मात्रा होती है, तो मोटाई की दिशा में पीजोइलेक्ट्रिक शीट का विस्थापन और पीजोइलेक्ट्रिक। तनाव गुणांक d33 लागू वोल्टेज V के समानुपाती होता है और इसका मोटाई से कोई लेना-देना नहीं होता है; हालाँकि, जब लागू विद्युत क्षेत्र को बदल दिया जाता है, तो डिवाइस द्वारा उत्पन्न विस्थापन न केवल पीज़ोइलेक्ट्रिक गुणांक d33 और विद्युत क्षेत्र के समानुपाती होता है, बल्कि मोटाई के समानुपाती भी होता है। यह देखा जा सकता है कि मोटाई की दिशा में पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का विस्थापन पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक द्वारा चयनित विस्थापन ड्राइव के कार्य मोड से संबंधित है। आवेदन करते समय, लागू वोल्टेज और विद्युत क्षेत्र के दो कारकों पर एक ही समय में विचार किया जाना चाहिए। निकट-विभाजन विद्युत क्षेत्र के अंतर्गत अनुप्रयोग; साथ ही, कार्यशील वोल्टेज जितना संभव हो उतना कम होना चाहिए, और विस्थापन जितना संभव हो उतना बड़ा होना चाहिए।

एक निश्चित लागू वोल्टेज वाले डिवाइस के लिए, सिरेमिक शीट की मोटाई को कम करने से डिवाइस के आकार को मोटाई की दिशा में कम करने का उद्देश्य प्राप्त हो सकता है। इसलिए, जब मल्टीलेयर पीजोसेरेमिक शीट यांत्रिक रूप से श्रृंखला में जुड़ी होती है, विद्युत रूप से समानांतर में जुड़ी होती है, और पीजो सिरेमिक परत एक साथ जुड़ी होती है, तो आसन्न पीजो सिरेमिक ट्रांसड्यूसर की ध्रुवीकरण दिशा विपरीत संरचना लेती है। इस तरह, जब मल्टीलेयर पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक माइक्रो-ड्राइवर को ऑपरेटिंग वोल्टेज के साथ लगाया जाता है, तो इसका अनुदैर्ध्य विस्थापन आरोपित होता है, जिसे व्यक्त किया जा सकता है।                      

        
जहां एन पीजो सिरेमिक लैमिनेट्स की संख्या है, यानी, मल्टीलेयर पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक माइक्रो-एक्चुएटर का विस्थापन पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के एक टुकड़े की तुलना में एन गुना बढ़ जाता है। हालाँकि, जब विस्थापन प्रत्येक पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट द्वारा लागू विद्युत क्षेत्र पर आधारित होता है, जब परिवर्तन की मात्रा होती है, तो समीकरण (2) व्यक्त किया जा सकता है।          

             
जहां t पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक की प्रत्येक परत की मोटाई है, और l मल्टीलेयर डिवाइस की कुल मोटाई है। समीकरण (3) और (1) के भावों की तुलना करने पर पता चलता है कि मल्टीलेयर डिवाइस की कुल मोटाई कब है। जब मोटाई टी समान होती है, तो दोनों समीकरण समान होते हैं, जो इंगित करता है कि जब मल्टीलेयर डिवाइस के प्रत्येक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक टुकड़े द्वारा लागू विद्युत क्षेत्र की तीव्रता पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के एक टुकड़े के समान होती है, तो दोनों की विस्थापन मात्रा बराबर होती है। लागू वोल्टेज मोनोलिथिक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक की तुलना में एन गुना कम है।

उपरोक्त विश्लेषण से यह देखा जा सकता है कि यद्यपि मोनोलिथिक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक फिल्म की मोटाई बढ़ाकर माइक्रोन-स्केल विस्थापन भी प्राप्त कर सकता है, लागू कार्यशील वोल्टेज को हजारों वोल्ट की आवश्यकता होती है, जो अनुप्रयोग के लिए अनुकूल नहीं है। परिवर्तन की मात्रा के रूप में, इसमें विस्थापन की मात्रा को बढ़ाने और ऑपरेटिंग वोल्टेज को कम करने के दो अलग-अलग कार्य हैं। खासकर जब मल्टीलेयर डिवाइस विद्युत क्षेत्र को स्थिर रखता है, तो डिवाइस की परतों की संख्या बढ़ाकर कुल मोटाई बढ़ाई जा सकती है। इसलिए, इसे व्यावहारिक रूप से लागू किया जाता है। जब मल्टी-लेयर डिवाइस में न केवल एक बड़ा विस्थापन होता है, बल्कि ऑपरेटिंग वोल्टेज को भी प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है।

कुल मोटाई 2 मिमी है (पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक परत 35 परतें हैं, प्रत्येक परत 47 माइक्रोमीटर मोटी है, और ऊपरी और निचली सतह परतें लगभग 120 माइक्रोमीटर मोटी हैं), जो सिरेमिक खाली फिल्म कास्टिंग प्रक्रिया और सिरेमिक / धातु आंतरिक इलेक्ट्रोड सह-फायरिंग तकनीक द्वारा तैयार की जाती है। चित्र में सफेद समानांतर धारियां धातु के आंतरिक इलेक्ट्रोड हैं जिनके बीच आंतरिक इलेक्ट्रोड के बीच पीजेडटी सिरेमिक परतें हैं। इसमें कई माइक्रोन आकार के कई छिद्र देखे जा सकते हैं पीजो सिरेमिक अंगूठी . यह सिरेमिक कास्टिंग के कारण है। बाइंडर और प्लास्टिसाइज़र जैसी कार्बनिक सामग्री हरित फिल्म में एक निश्चित अनुपात रखती है। जब सिरेमिक/आंतरिक इलेक्ट्रोड को सह-फायर किया जाता है, तो इन फिल्मों में कार्बनिक पदार्थों के वाष्पीकरण से पीटीटी सिरेमिक परत में कई बड़े छिद्र हो जाते हैं। हालाँकि, ये छिद्र PZT श्रृंखला में हैं। कास्ट सिरेमिक शीट में पीजेडटी सिरेमिक परत की इलेक्ट्रोमैकेनिकल विशेषताएं गंभीर रूप से प्रभावित नहीं होती हैं। यह परिणाम मूल रूप से कास्टिंग विधि द्वारा तैयार पीबीएनएन कठोर पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के इलेक्ट्रोमैकेनिकल गुणांक के अनुरूप है। इसलिए, यह माना जा सकता है कि कास्टिंग विधि द्वारा प्राप्त पीजो सिरेमिक के इलेक्ट्रोमैकेनिकल पैरामीटर मूल रूप से सूखी दबाव विधि द्वारा सिरेमिक शीट के समान हैं।