[发明专利]具有成本效益的单晶多桩致动器及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有成本效益的单晶多桩致动器(multi-stake actuator)及制造方法。

背景技术

纵向(d₃₃)模态堆栈式致动器及横向(d₃₁)模态管状或圆柱状致动器是在需要高生产力情况下所广泛使用的压电式致动器。这些致动器适合于等向性材料，诸如锆钛酸铅(Pb[Zr_1-xTi_x]O₃或PZT)压电陶瓷。

为使外施电压保持低值，纵向(d₃₃)模态致动器常常由厚度为几毫米或更小的较短圆盘状、环状或板状的节段制成，这些节段经由适合的装置黏结在一起而形成一堆栈。

近年来，已广泛研究锌铌酸铅-钛酸铅(Pb[Zn_1/3Nb_2/3]O₃-PbTiO₃或PZN-PT)、镁铌酸铅-钛酸铅(Pb[Mg_1/3Nb_2/3]O₃-PbTiO₃，PMN-PT)及镁铌酸铅-锆钛酸铅(PMN-PZT)固溶体压电单晶以及其掺杂和/或改质的三元及四元衍生物。这些新的压电材料展现出优于PZT陶瓷的机电性质。

压电单晶为异向性材料，当在不同晶向上极化和/或活化时，这些材料展现出不同的性质。

例如，对[001]极化的纵向(d₃₃)模态单晶环而言，虽然其在跨越顶面和底面的轴向上展现出相当均匀的纵向应变和声速，但其应变和声速随着不同的径向而变化。因此，短单晶环常常展现出复杂的耦合共振行为，并且可能不适合在共振模式下操作。

参考美国声学学会杂志(Journal of the Acoustical Society of America)第121卷，第2591页至第2599页(2007)，Moffett等人的题为“Single-crystal lead magnesium niobate-lead titanate(PMN/PT)as a broadband high power transduction material”的文章，其中公开了由9个彼此堆栈并彼此于顶部黏结的分段环制成的单晶圆柱状发射体(projector)，每一环都是由12个倾斜d₃₃模态单晶板制成的十二边形。

参考2010年5月11日至5月13日由Robinson等人于美国宾夕法尼亚州州立大学，美国海军声学换能材料及设备研讨会上发表的文章“Single crystal free-flooded ring transducer”(摘要第IV.1号)[22]，其中报导了一种混合型换能器，其中使用由氧化铝制成的楔形间隔物作为黏结导件及加强件来将矩形d₃₁模态单晶活性元件(active element)黏结至分段环中，接着将分段环堆栈并黏结在一起，以形成圆柱状发射体。

在以上两篇所引述的文件中，所关注的致动模式为环或圆柱体的圆周振动模式或呼吸模式。

横向模态(d₃₁或d₃₂)的单晶管状致动器也存在由于晶体异向性所引起的问题。这些致动器通常具有位于管的内表面和外表面中的电极，并且在径向方向上极化。由于单晶管的径向方向构成不同的晶向，因此在将单晶管置入径向方向上的外施电场中时，在该管的两个端面处均会产生轴向方向上的非均匀应变。这是不希望有的，因为管状致动器的整体性能由于径向节段展现出的性能比预期性能低而被折衷。

单晶环及单晶管的另一主要缺点在于，其必须由一整块晶体加工而成，而该过程中涉及的材料浪费可达50％或甚至更高。这使得压电单晶原本已经很高的生产成本进一步增加。

小直径单晶管的加工尤其困难，从而常常导致高的废品率。这是因为弯曲加工的表面不易于借助机械抛光予以打磨来移除加工引起的缺陷。这些裂纹若不被移除，可能会在晶体极化期间扩散。而且，即使致动器在极化过程中得以保存，裂纹仍可能在使用期间生长，从而导致设备过早故障。