叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构及其制造工艺
阅读说明：本技术 叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构及其制造工艺 (Laminated piezoelectric ceramic high-speed deflection mirror structure and manufacturing process thereof ) 是由 于传文 吴迪 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构及其制造工艺,叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构包括上绝缘层、下绝缘层以及位于上绝缘层和下绝缘层之间的正电极整体层、负电极整体层以及压电介质层,正电极整体层和负电极整体层在上绝缘层、下绝缘层形成的空间内交替分布,压电介质层位于二者之间。现有摆镜结构利用陶瓷元件和机械结构组成,构成零件多,组装工艺复杂,由于机械零件的固有频率都很低,摆镜的工作速度都是在毫秒级时间内,现有的结构,尺寸大,质量重,无法满足高速运行的要求。本发明摒弃机械元件,无弹簧拉力,全瓷一体共烧结构,去除了机械零件动作频率低的缺点,使得偏摆镜结构能够以微秒级的速度进行工作和响应。(The invention discloses a laminated piezoelectric ceramic high-speed deflection mirror structure and a manufacturing process thereof. The existing oscillating mirror structure is composed of ceramic elements and a mechanical structure, a plurality of components are formed, the assembly process is complex, the inherent frequency of the mechanical components is very low, the working speed of the oscillating mirror is within millisecond time, and the existing oscillating mirror structure is large in size, heavy in weight and incapable of meeting the requirement of high-speed operation. The invention abandons mechanical elements, has no spring tension, has an all-ceramic integrated co-firing structure, and removes the defect of low action frequency of mechanical parts, so that the deflection mirror structure can work and respond at microsecond-level speed.)
技术领域
本发明属于压电陶瓷偏摆镜技术领域，具体涉及叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构及其制造工艺。
背景技术
叠堆型压电陶瓷是将压电陶瓷基片，通过叠层粘结共烧工艺形成的，当在叠堆型压电陶瓷两端具备电压差后，将发生逆压电效应，叠堆型压电陶瓷将发生形变。
现有摆镜结构利用陶瓷元件和机械结构组成,构成零件多,组装工艺复杂，机械零件的固有频率都很低,摆镜的工作速度都是在毫秒级时间，尺寸大,质量重,无法满足高速的运行要求。因此提供一种全压电陶瓷结构，无机械元件,无弹簧拉力,全瓷一体共烧结构,无安装误差,体总小,安装调试简单,刚度大,具有工艺性好，易于集成使用,响应速度范围大,可作为独立元件使用的叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构。
发明内容
针对上述背景技术所提出的问题，本发明的目的是：旨在提供叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构及其制造工艺。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构，包括上绝缘层、下绝缘层以及位于上绝缘层和下绝缘层之间的正电极整体层、负电极整体层以及压电介质层，所述正电极整体层和负电极整体层在上绝缘层、下绝缘层形成的空间内交替分布，所述压电介质层位于正电极整体层和负电极整体层之间；
所述正电极整体层包括四组形状相同且相互独立的第一正电极层、第二正电极层、第三正电极层、第四正电极层，所述第一正电极层、第二正电极层、第三正电极层、第四正电极层的外圆周均设有第一凸块；
所述负电极整体层包括四组形状相同且相互独立的第一负电极层、第二负电极层、第三负电极层、第四负电极层，所述第一负电极层、第二负电极层、第三负电极层、第四负电极层的外圆周均设有第二凸块；
所述压电介质层设有四个相互独立的感应区域，所述感应区域的形状与第一正电极层或第一负电极层外形相匹配；
所述第一凸块和第二凸块的角度间隔为四十五度，所述第一正电极层中的第一凸块之间并联烧结为第一外部正电极层，所述第一负电极层中的第二凸块之间并联烧结为第一外部负电极层，所述第二正电极层中的第一凸块之间并联烧结为第二外部正电极层，所述第二负电极层中的第二凸块之间并联烧结为第二外部负电极层，所述第三正电极层中的第一凸块之间并联烧结为第三外部正电极层，所述第三负电极层中的第二凸块之间并联烧结为第三外部负电极层，所述第四正电极层中的第一凸块之间并联烧结为第四外部正电极层，所述第四负电极层中的第二凸块之间并联烧结为第四外部负电极层；
所述第一正电极层以及第一负电极层分别位于压电介质层的两侧，且位置重合对应，所述第一正电极层、第一负电极层以及压电介质层构成独立的第一叠层压电结构；所述第二正电极层以及第二负电极层分别位于压电介质层的两侧，且位置同样重合对应，所述第二正电极层、第二负电极层以及压电介质层构成独立的第二叠层压电结构；所述第三正电极层以及第三负电极层分别位于压电介质层的两侧，且位置同样重合对应，所述第三正电极层、第三负电极层以及压电介质层构成独立的第三叠层压电结构；所述第四正电极层以及第四负电极层分别位于压电介质层的两侧，且位置同样重合对应，所述第四正电极层、第四负电极层以及压电介质层构成独立的第四叠层压电结构，所述第一叠层压电结构、第二叠层压电结构、第三叠层压电结构、第四叠层压电结构间隔九十度分布，且相互独立。
进一步限定，所述叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构的外形为环形结构、外方内环结构或外方内方结构中的一种，这样的结构设计，使得叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构更容易加工制造，同时也能够适应不同的使用需求。
进一步限定，所述上绝缘层为可微变形的软性绝缘材料，所述下绝缘层采用氧化铝或氧化锆材料，这样的结构设计，通过软性绝缘材料形成上绝缘层来提供绝缘能力和变形，通过氧化铝或氧化锆材料形成下绝缘层来提供支撑能力和绝缘能力。
进一步限定，所述压电介质层的堆叠层数大于等于九十层，这样的结构设计，使得具备足够多的压电介质层来发生逆压电效应，并将微小形变累积，输出足够的位移。
本发明还提供叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构的制造工艺，包括下述步骤：
S1:选用合适厚度的压电陶瓷材料薄膜作为压电介质层；
S2:通过丝网印刷将银钯材料印制在压电介质层的一侧，形成正电极整体层；
S3:在正电极整体层另一侧热压粘接另一层压电介质层；
S4:通过丝网印刷将银钯材料印制在后一层压电介质层的另一侧，形成负电极整体层；
S5:重复步骤二到步骤四，使压电介质层的堆叠层数大于等于九十层，随后进行温等静压；
S6:温等静压完成后，切割结合体形成需要的形状；
S7:特定形状的结合体放入高温炉中，按一定的温度梯度进行烧结；
S8:采用网板将银浆网印在第一凸块和第二凸块上，经高温烧结,银浆渗入结合体内部，对应的第一凸块并联，对应的第二凸块并联，形成对应的外部电极层；
S9:第二次烧结完成后，在对应外部电极层上，采用银材料印制接线电极，用以连接驱动电压。
本发明的有益效果：
1.叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构中不存在机械结构，叠层型压电陶瓷的位移控制都由电控实现，摒弃了现有摆镜结构中的机械部分，去除了机械零件动作频率低的缺点，使得叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构能够以微秒级的速度进行工作和响应，并且叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构的偏摆动作在驱动电压控制下，摆速较快，能够以微秒级的速度进行摆动；
2.结构简单紧凑，无机械零件,无间隙，外形小，高频响应快，可作为一个独立元件使用。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；
图1为本发明叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构及其制造工艺实施例的爆炸图；
图2为本发明叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构及其制造工艺实施例的第一结构示意图；
图3为本发明叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构及其制造工艺实施例的第二结构示意图；
图4为本发明叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构及其制造工艺实施例中实际接线驱动方式图；
图5为本发明叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构及其制造工艺实施例的简易电路图；
主要元件符号说明如下：
上绝缘层1、正电极整体层2、压电介质层3、负电极整体层4、下绝缘层8；
第一正电极层2-1、第二正电极层2-2、第三正电极层2-3、第四正电极层2-4；
第一负电极层4-1、第二负电极层4-2、第三负电极层4-3、第四负电极层4-4；
第一外部正电极层7-1、第二外部正电极层7-2、第三外部正电极层7-3、第四外部正电极层7-4；
第一外部负电极层9-1、第二外部负电极层9-2、第三外部负电极层9-3、第四外部负电极层9-4；
第一叠层压电结构F-1、第二叠层压电结构F-2、第三叠层压电结构F-3、第四叠层压电结构F-4。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
如图1-5所示，本发明的叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构，包括上绝缘层1、下绝缘层8以及位于上绝缘层1和下绝缘层8之间的正电极整体层2、负电极整体层4以及压电介质层3，正电极整体层2和负电极整体层4在上绝缘层1、下绝缘层8形成的空间内交替分布，压电介质层3位于正电极整体层2和负电极整体层4之间；
正电极整体层2包括四组形状相同且相互独立的第一正电极层2-1、第二正电极层2-2、第三正电极层2-3、第四正电极层2-4，第一正电极层2-1、第二正电极层2-2、第三正电极层2-3、第四正电极层2-4的外圆周均设有第一凸块；
负电极整体层4包括四组形状相同且相互独立的第一负电极层4-1、第二负电极层4-2、第三负电极层4-3、第四负电极层4-4，第一负电极层4-1、第二负电极层4-2、第三负电极层4-3、第四负电极层4-4的外圆周均设有第二凸块；
压电介质层3设有四个相互独立的感应区域，感应区域的形状与第一正电极层2-1或第一负电极层4-1外形相匹配；
第一凸块和第二凸块的角度间隔为四十五度，第一正电极层2-1中的第一凸块之间并联烧结为第一外部正电极层7-1，第一负电极层4-1中的第二凸块之间并联烧结为第一外部负电极层9-1，第二正电极层2-2中的第一凸块之间并联烧结为第二外部正电极层7-2，第二负电极层4-2中的第二凸块之间并联烧结为第二外部负电极层9-2，第三正电极层2-3中的第一凸块之间并联烧结为第三外部正电极层7-3，第三负电极层4-3中的第二凸块之间并联烧结为第三外部负电极层9-3，第四正电极层2-4中的第一凸块之间并联烧结为第四外部正电极层7-4，第四负电极层4-4中的第二凸块之间并联烧结为第四外部负电极层9-4；
第一正电极层2-1以及第一负电极层4-1分别位于压电介质层3的两侧，且位置重合对应，第一正电极层2-1、第一负电极层4-1以及压电介质层3构成独立的第一叠层压电结构F-1；第二正电极层2-2以及第二负电极层4-2分别位于压电介质层3的两侧，且位置同样重合对应，第二正电极层2-2、第二负电极层4-2以及压电介质层3构成独立的第二叠层压电结构F-2；第三正电极层2-3以及第三负电极层4-3分别位于压电介质层3的两侧，且位置同样重合对应，第三正电极层2-3、第三负电极层4-3以及压电介质层3构成独立的第三叠层压电结构F-3；第四正电极层2-4以及第四负电极层4-4分别位于压电介质层3的两侧，且位置同样重合对应，第四正电极层2-4、第四负电极层4-4以及压电介质层3构成独立的第四叠层压电结构F-4，第一叠层压电结构F-1、第二叠层压电结构F-2、第三叠层压电结构F-3、第四叠层压电结构F-4间隔九十度分布，且相互独立。
本案实施中，压电介质层3位于正电极整体层2和负电极整体层4之间，当压电介质层3通过正电极整体层2和负电极整体层4在两端施加驱动电压时，压电介质层3将发生逆压电效应，从而产生垂直方向的变形，正电极整体层2又分为相互独立的第一正电极层2-1、第二正电极层2-2、第三正电极层2-3、第四正电极层2-4，负电极整体层4又分为第一负电极层4-1、第二负电极层4-2、第三负电极层4-3、第四负电极层4-4，压电介质层3又设有四个相互独立的感应区域，通过第一正电极层2-1、第一负电极层4-1以及压电介质层3中的独立区域，三者之间的相互配合，构成了独立的第一叠层压电结构F-1，依次类推，还能够构成其它三组独立的叠层压电结构，第二叠层压电结构F-2、第三叠层压电结构F-3、第四叠层压电结构F-4；
第一外部正电极层7-1和第一外部负电极层9-1共同控制第一叠层压电结构F-1的工作状态，第二外部正电极层7-2和第二外部负电极层9-2共同控制第二叠层压电结构F-2的工作状态、第三外部正电极层7-3和第三外部负电极层9-3共同控制第三叠层压电结构F-3的工作状态、第四外部正电极层7-4和第四外部负电极层9-4共同控制第四叠层压电结构F-4的工作状态；
当第一叠层压电结构F-1、第二叠层压电结构F-2、第三叠层压电结构F-3、第四叠层压电结构F-4在相同的驱动电压作用下，将发生效果相同的逆压电效应，上述四组叠层压电结构将同时产生位移，位于最上层的上绝缘层1将产生Z向位移；
当相对的两组叠层压电结构，一组单独施加驱动电压A，另一组单独施加驱动电压B，驱动电压A大于驱动电压B，剩下两组叠层压电结构不工作，由于驱动电压A大于驱动电压B，驱动电压A下的逆压电效应发生的位移也将大于驱动电压B下的逆压电效应发生的位移,位于最上层的上绝缘层1将发生X轴方向的偏摆；
控制上绝缘层1发生Y轴方向的偏摆，原理同X轴相同，此处不再赘述；
由于叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构中不存在机械结构，叠层型压电陶瓷的位移控制都由电控实现，摒弃了现有摆镜结构中的机械部分，去除了机械零件动作频率低的缺点，使得叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构能够以微秒级的速度进行工作和响应，并且叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构的偏摆动作在驱动电压控制下，摆速较快，能够以微秒级的速度进行摆动；
叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构中具体的电控驱动方式，由图4和图5进行了描述，在图4中，1路偏置电压、2路偏置电压、3路偏置电压，输出0-150V的电压，1路偏置电压连接第一外部正电极层7-1和第四外部正电极层7-4，2路偏置电压连接第二外部正电极层7-2和第四外部负电极层9-4，3路偏置电压连接第一外部负电极层9-1和第三外部正电极层7-3，第二外部负电极层9-2、第三外部负电极层9-3同时接地，第一外部负电极层9-1与第三外部正电极层7-3连接，第四外部负电极层9-4与第二外部正电极层7-2连接；
当1路偏置电压从从0V加到150V时，2路偏置电压以及3路偏置电压断开时，第一叠层压电结构F-1、第二叠层压电结构F-2、第三叠层压电结构F-3、第四叠层压电结构F-4获得相同的75V压降，每一组叠层压电结构，在相同的电压驱动下,都产生向上的位移输出，由1路偏置电压可以调节整体高度；
当2路偏置电压接入G点，第四叠层压电结构F-4中的第四正电极层2-4通过第四外部正电极层7-4保持150V电压，2路偏置电压输入0V时，第四叠层压电结构F-4两端的压降为150V，第二叠层压电结构F-2两端的压降为0V，此时，第四叠层压电结构F-4发生逆压电效应将形变升高，第二叠层压电结构F-2则会回零位置，2路偏置电压输入150V时，第四叠层压电结构F-4两端的压降为0V，第二叠层压电结构F-2两端的压降为150V，第四叠层压电结构F-4将会回零位置，第二叠层压电结构F-2发生逆压电效应将形变升高，当在叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构顶部粘接一反射镜时，2路偏置电压可调节偏摆角度；
当3路偏置电压接入H点，第一叠层压电结构F-1中的第一正电极层2-1通过第一外部正电极层7-1保持150V电压，3路偏置电压输入0V时，第一叠层压电结构F-1两端的压降为150V，第三叠层压电结构F-3两端的压降为0V，此时，第一叠层压电结构F-1发生逆压电效应将形变升高，第三叠层压电结构F-3则会回零位置，3路偏置电压输入150V时，第一叠层压电结构F-1两端的压降为0V，第三叠层压电结构F-3两端的压降为150V，第一叠层压电结构F-1将会回零位置，第三叠层压电结构F-3发生逆压电效应将形变升高，当在叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构顶部粘接一反射镜时，3路偏置电压可调节偏摆角度；
上述电控驱动方式实现了叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构高度变形，X及Y两个垂直方向的角度调节变化，由于摒除了传统偏摆镜多余的机械结构，使得叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构能够在高速的调节范围内工作。
优选，叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构的外形为环形结构、外方内环结构或外方内方结构中的一种，这样的结构设计，使得叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构更容易加工制造，同时也能够适应不同的使用需求。实际上，也可以根据具体情况具体考虑叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构其它的外形。
优选，上绝缘层1为可微变形的软性绝缘材料，下绝缘层8采用氧化铝或氧化锆材料，这样的结构设计，通过软性绝缘材料形成上绝缘层1来提供绝缘能力和变形，通过氧化铝或氧化锆材料形成下绝缘层8来提供支撑能力和绝缘能力。实际上，也可以根据具体情况具体考虑上绝缘层1和下绝缘层8其它的材料选择。
优选，压电介质层3的堆叠层数大于等于九十层，这样的结构设计，使得具备足够多的压电介质层3来发生逆压电效应，并将微小形变累积，输出足够的位移。实际上，也可以根据具体情况具体考虑压电介质层3其它的堆叠层数。
本发明还提供叠层型压电陶瓷高速偏摆镜结构的制造工艺，包括下述步骤：
S1:选用合适厚度的压电陶瓷材料薄膜作为压电介质层；
S2:通过丝网印刷将银钯材料印制在压电介质层的一侧，形成正电极整体层；
S3:在正电极整体层另一侧热压粘接另一层压电介质层；
S4:通过丝网印刷将银钯材料印制在后一层压电介质层的另一侧，形成负电极整体层；
S5:重复步骤二到步骤四，使压电介质层的堆叠层数大于等于九十层，随后进行温等静压；
S6:温等静压完成后，切割结合体形成需要的形状；
S7:特定形状的结合体放入高温炉中，按一定的温度梯度进行烧结；
S8:采用网板将银浆网印在第一凸块和第二凸块上，经高温烧结,银浆渗入结合体内部，对应的第一凸块并联，对应的第二凸块并联，形成对应的外部电极层；
S9:第二次烧结完成后，在对应外部电极层上，采用银材料印制接线电极，用以连接驱动电压。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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