一種基于超聲駐波場的包覆壓電單元薄膜的制造裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及復合壓電薄膜制造技術，尤其是涉及了一種基于超聲駐波場的包覆壓電單元薄膜的制造裝置。
【背景技術】
[0002]壓電材料是一種可以實現(xiàn)機械能與電能相互轉化的功能材料，在工業(yè)、軍事和醫(yī)學等領域有廣泛的應用。常規(guī)壓電材料根據(jù)其化學成分的不同，可以分為壓電陶瓷、壓電晶體以及有機壓電材料。壓電陶瓷包括鈦酸鋇、鈦酸鉛和鋯酸鉛等，由于壓電陶瓷具有壓電常數(shù)高，介電常數(shù)大，以及易于機械加工等特點，因此適用于制造大功率壓電換能器和濾波器，比如海洋聲吶、超聲清洗機、金屬探傷機和超聲醫(yī)療設備等。此外，由于壓電陶瓷在電場作用下的形變量很小，因此基于其逆向壓電效應制造的壓電驅動器可以實現(xiàn)高精度的運動控制。但由于電損耗大，并且穩(wěn)定性較低，因此壓電陶瓷不適用于高頻場合。壓電晶體包含石英、鍺酸鋰和鈮酸鋰等，其特點為穩(wěn)定性高，因而適用于對頻率穩(wěn)定性要求嚴格的場合，以及制造高頻電子元器件，如振蕩器和延遲線等。但壓電晶體壓電常數(shù)低，介電常數(shù)很小，并且存在切型約束而無法加工到特殊尺寸與形狀，因而限制了壓電晶體應用領域。以PVDF為代表的有機壓電聚合物具有柔韌性好、密度低和壓電常數(shù)高等優(yōu)點，但是較低的壓電應變常數(shù)致使其不適于制作有源發(fā)射端，因此應用范圍受到了制約。
[0003]與上述三種常規(guī)壓電材料化學組成和制造方法不同，復合壓電材料是通過將單一或多種壓電陶瓷粉末與聚合物按照一定比例進行混合，并采用熱壓等方法制備而成。由于其特殊的材料組成，復合壓電材料兼具壓電陶瓷、壓電晶體和有機壓電材料的優(yōu)點，包括較好的機械性能，如高柔韌性、低低密等，并且具有機電、壓電耦合系數(shù)大、靈敏度高及大范圍溫度內壓電常數(shù)穩(wěn)定等特點。
[0004]基于壓電效應的柔性傳感器被廣泛的應用于生機電系統(tǒng)和工業(yè)傳感測量領域，如電子皮膚和加速度計等。構成柔性壓電傳感器的關鍵部分是柔性傳感層，常見的制備柔性傳感層的材料有PVDF和具有壓電陶瓷夾層的柔性薄膜，然而上述兩類材料不能兼具高壓電常數(shù)、高柔韌性和較大的壓電應變常數(shù)等優(yōu)點。近年來，國外研究者提出了一種新型的復合壓電材料制備方法，首先將壓電陶瓷粉末與液態(tài)有機柔性薄材料進行混合，然后采用光固化的方式使材料從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)，他們制造的復合壓電材料具有柔性好和壓電性能高的特點。但是無論采用傳統(tǒng)還是新型壓電材料，在制造含有高重復性陣列排布壓電單元的傳感層時，如壓電式柔性觸覺傳感器的受力層，都需要對壓電材料進行高精度的機械切割及裝配，因而導致生產效率很低。因此，制造一種兼具高柔性和高壓電性能，且免于機械裝配的含有周期性單元的壓電材料是十分必要的。
【實用新型內容】
[0005]為了解決【背景技術】中存在的問題，本實用新型提出了一種基于超聲駐波場的包覆壓電單元薄膜的制造裝置。
[0006]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]本實用新型包括鈮酸鋰晶片、銅質叉指電極、PDMS微流道和紫外光源，鈮酸鋰晶片的上表面形成有兩對正交排布的銅質叉指電極，銅質叉指電極與鈮酸鋰晶片構成叉指換能器，各個銅質叉指電極與信號發(fā)生器的輸出通道相連，PDMS微流道覆蓋在鈮酸鋰晶片的正中央，四個銅質叉指電極分別位于PDMS微流道的周圍四邊并呈對稱分布，PDMS微流道內有光敏壓電混合液，紫外光源置于鈮酸鋰晶片下方。
[0008]所述的銅質叉指電極通過光刻與濺射方法在鈮酸鋰晶片上制備。
[0009]所述的PDMS微流道為內部中空且無底板的方殼體，殼體頂部鉆有注射孔和排氣孔，所述的光敏壓電混合液通過注射栗的控制由注射孔進入PDMS微流道。
[0010]所述的叉指換能器是具有多種共振頻率的銅質叉指換能器，每個銅質叉指電極的指寬和間距由外向內逐漸遞減。
[0011]所述的壓電晶片采用128°Y切型、延X向傳播的雙面拋光鈮酸鋰。
[0012]所述的光敏壓電混合液，液態(tài)預聚物采用聚乙二醇二丙烯酸酯，耦合劑采用3_(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，壓電材料為經3_(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷接枝處理的鈦酸鋇粉末，并采用安息香雙甲醚作為光引發(fā)劑，聚乙二醇二丙烯酸酯，安息香雙甲醚和經3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷接枝處理后的鈦酸鋇粉末的配置質量比為89:
10:1ο
[0013]本實用新型首先利用四列聲表面波產生穩(wěn)定的正交駐波場，在駐波場的聲輻射力作用下，光敏壓電混合液中的鈦酸鋇向駐波場節(jié)點移動，從而產生陣列排布的壓電單元。當排布穩(wěn)定后，打開紫外光源使光敏壓電混合液交聯(lián)固化，最后對固化后的材料進行剝離，即獲得包覆陣列壓電單元薄膜。在制造過程中改變信號發(fā)生器的輸出頻率、相位，可以調節(jié)壓電單元的排布規(guī)律。
[0014]本實用新型的PDMS微流道即為聚二甲基硅氧烷微流道。
[0015]本實用新型具有的有益效果是:
[0016]本實用新型通過聲表面波駐波場的聲輻射力作用，實現(xiàn)鈦酸鋇在預聚物液體中陣列排布，結合紫外光固化成型，實現(xiàn)包覆陣列壓電單元薄膜的快速高精度制造；
[0017]本實用新型通過改變信號發(fā)生器的頻率和相位，控制壓電單元的排布規(guī)則，可以實現(xiàn)多樣性制造，可控性強，適用范圍廣；
[0018]本實用新型具有裝置簡單，體積小，能耗低的特點。
【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型的裝置結構圖。
[0020]圖2是本實用新型啟動叉指換能器后的裝置俯視圖。
[0021]圖3是本實用新型啟動叉指換能器及紫外光源后的成型示意圖。
[0022]圖4是本實用新型實施例制備得到的包覆陣列壓電單元薄膜的示意圖。
[0023]圖5是實施例經過3_(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷處理后的鈦酸鋇粉末的光譜圖。
[0024]圖中:1.銅質叉指電極，2.鈮酸鋰晶片，3.PDMS微流道，4.光敏壓電混合液，5.信號發(fā)生器，6.注射栗，7.陣列壓電單元，8.紫外光源。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0026]如圖1和圖2所示，本實用新型的制造裝置包括鈮酸鋰晶片2、銅質叉指電極1、PDMS微流道3和紫外光源8，鈮酸鋰晶片2的上表面制作有兩對正交排布的銅質叉指電極I，銅質叉指電極I與鈮酸鋰晶片2構成叉指換能器，每對銅質叉指電極I與信號發(fā)生器5的輸出通道相連，無底的PDMS微流道3覆蓋在鈮酸鋰