光電所在下一代壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器研究方面取得進(jìn)展

疊層共燒壓電驅(qū)動(dòng)器是將流延陶瓷基片與印刷電極層交替堆疊后共燒而成的一體式固體電子元件，具有驅(qū)動(dòng)電壓低、位移精度高、輸出力大、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)�；趬弘婒�(qū)動(dòng)的特性，該元器件在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，這樣極大地提高了噴油量的計(jì)量精度、降低燃油消耗和噪聲、提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率。僅到2012年，德國大陸公司便已生產(chǎn)了5000萬支壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。目前在該元器件的技術(shù)和市場(chǎng)領(lǐng)域，國外公司如德國大陸、德國博世、日本TDK（愛普科斯）等占據(jù)壟斷地位。

現(xiàn)在使用的壓電驅(qū)動(dòng)器都是基于PZT壓電陶瓷，但PZT陶瓷在生產(chǎn)和廢棄過程中會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生潛在的影響。BNT陶瓷由于環(huán)境友好性、大變形量、高剛度和耐電學(xué)疲勞特性等因素成為研究者青睞的下一代壓電驅(qū)動(dòng)器原材料。然而，BNT陶瓷存在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)過高和共燒溫度過高等問題。在最近的研究過程中，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所科研人員通過材料組分、相結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸的控制，得到了低驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下應(yīng)變量較大的BNT陶瓷。基于該陶瓷，通過流延疊層共燒的工藝進(jìn)一步開發(fā)出BNT陶瓷壓電驅(qū)動(dòng)器原型。相比于目前已經(jīng)報(bào)道的性能最優(yōu)的BNT壓電驅(qū)動(dòng)器而言，驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)/電壓進(jìn)一步降低了三分之一，朝著實(shí)用化方向邁出了重要一步，更加接近于PZT驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用參數(shù)。同時(shí)，由于采用低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，內(nèi)電極貴金屬含量降低，器件的制造成本更低。該研究結(jié)果已申請(qǐng)專利一項(xiàng)，在專業(yè)期刊上發(fā)表論文兩篇。

該項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金（51402297）與中科院青促會(huì)（2016334）資助。

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圖1：BNT壓電陶瓷的場(chǎng)致應(yīng)變行為

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圖2：BNT壓電驅(qū)動(dòng)器原型實(shí)物與剖面結(jié)構(gòu)