Каква роля играят нагретите керамични плочи при синтероването на многослойни пиезоелектрични задвижващи механизми?

Малки, мощни „мускули“, наречени многослойни пиезоелектрични задвижващи механизми, могат да позиционират лещи, вентили и полупроводниково оборудване с нанометрова -прецизност. Те са направени чрез подреждане на стотици ултра-тънки керамични листове, върху които метални вътрешни електроди са отпечатани-сито, и след това съвместно-изпичане на цялата структура в плътен монолитен блок. Нагревателната плоча, която извършва това синтероване, трябва да бъде модел на топлинна хомогенност.

Топлинната еднородност в света на производството на пиезоелектрически актуатори със синтероване на нагрята керамична плоча не е просто желателна – тя е задължителна. Дори малки температурни градиенти в повърхността на изпичане могат да доведат до изкривяване на керамичния стек, счупване на вградените електроди или индуциране на вътрешни механични напрежения, които трайно влошават работата на задвижващия механизъм.

Защо синтероването е важно за пиезоелектричните задвижващи механизми
Керамичните състави на оловен цирконат титанат (PZT) се използват широко за производството на многослойни пиезоелектрични задвижващи механизми. Задвижващият механизъм е крехко ламинирано „зелено тяло“, което се състои от: Преди изстрелване,

Тънки ленти от керамична лента

Лепила, органични

Разтворители

Отпечатани са дизайни на метални електроди

Интерфейси под налягане за ламиниране

По време на процеса на синтероване керамичните частици се сливат и уплътняват, а вътрешните електроди също се сливат в проводими слоеве.

Взема се крехка купчина прах и метално мастило и се създава твърда електро-механична структура, която може да генерира сила и движение при прилагане на електричество.

Ролята на нагрятата керамична плоча
Горещата плоча е температурната основа на системата за синтероване.

То има следните отговорности:

Механична опора на задвижващия механизъм на стека

Равномерно разпределение на топлината

Намаляване на топлинните градиенти

Стабилизиране на средата на изпичане

Локализирано предотвратяване на прегряване

Задвижващите слоеве са доста тънки, поради което малка температурна разлика може да причини неравномерно свиване по време на уплътняване.

Това диференциално уплътняване може да доведе до:

Изкривяване

Разбиване

Вътрешни пропуски

Отлепване на електрода

Намалена пиезоелектрична производителност

По този начин плочата служи като термичен стабилизатор и устройство за контрол на размерите.

Материали за плочи за високо{0}}синтероване
Валицата обикновено е изработена от огнеупорни керамични материали, способни да издържат на продължителен контакт с интензивна топлина.

Плочи от алуминиева керамика
Често се избира-алуминиев оксид с висока чистота, защото осигурява:

Добра термична стабилност

Високо съотношение на компресия към якост

Изолация за електрическа употреба

Устойчивост на химикали

Устойчивост на термичен удар

Керамичната рамка допълнително намалява замърсяването на крехките PZT елементи по време на горене.

Вградени нагревателни елементи
Валицата може да има вградени високотемпературни нагревателни елементи, напр.

Елементи на устойчивост на молибден

Нагревателни елементи от силициев карбид (SiC).

Молибденови дисилицидни системи

Такива нагряващи материали са избрани заради способността им да осигурят стабилна топлинна мощност при много{0}}часови цикли на синтероване при температури над 1000 градуса.

Изключително еднакви температурни изисквания
Една основна трудност в процеса на синтероване на пиезоелектричен задвижващ механизъм с нагрята керамична плоча е постигането на много постоянна повърхностна температура.

Нормални температури на синтероване
Точната температура на изпичане варира в зависимост от конкретната керамична формула, но базираните на PZT{0}}задвижващи устройства обикновено се синтероват между:

1100 градуса и 1300 градуса

Диференциалните ефекти на свиване увеличават леките термични несъответствия при тези температури.

Изисква се топлинна точност
Целите за еднородност на температурата за промишлени плочи за синтероване често са в рамките на:

±1 градус до ±2 градуса над активната повърхност

Този критерий е много труден с включените много високи работни температури.

В пещта плочата е гореща, тиха, напълно еднородна сцена, когато всеки керамичен слой трябва да се свие заедно в унисон.

Предотвратяване на изкривяване и разслояване
Пиезоелектричните задвижващи механизми са много-пластови и следователно изпитват определени необичайни температурни проблеми.

Диференциално уреждане
Ако една област от стека се нагрява по-бързо от друга:

Степента на свиване на керамиката е различна

Натрупване на вътрешно напрежение

Получава се изкривяване на слоя

Дори и най-малките отклонения в размера могат да повлияят на точността на задвижващия механизъм за крайния-потребител.

Стабилност на вътрешния електрод
Слоевете-сребърен електрод от паладий се поставят между керамичните листове и трябва да се синтероват едновременно с околната керамика.

Неравномерното нагряване може да доведе до:

Електродна междина

Пилинг на слоеве.

почивка

Загуба на проводимост

Електромеханично съединяване намалено

Следователно поддържането на еднакви топлинни условия по целия стек е от решаващо значение както за структурните, така и за електрическите характеристики.

Защо да използваме висока топлинна маса?
Плочите за синтероване са проектирани да имат значителен обем и топлинна инерция.

Предимства на високата термична инерция
Голяма топлинна маса помага:

Елиминирайте температурните колебания

Устойчив на бързи топлинни смущения

Въздействие върху плавен цикъл на нагряване

Поддържайте постоянни условия на изпичане за-продължително изпичане

Тази стабилност е особено важна, тъй като циклите на пиезоелектрическо изпичане могат да бъдат с продължителност много часове и включват:

Поетапно нарастване-нагоре

Етапи на изгаряне-на свързващо вещество

Време за накисване при висока температура

Бавни регулирани охлаждащи цикли

Голямата керамична плоча работи като термичен маховик за целия процес на пещта.

Управление на атмосферата при синтероване
Средата на синтероване съществено влияе върху поведението както на керамиката, така и на електрода.

Контролирани атмосфери
Процедурата може да работи в: Въз основа на химикала на задвижващия механизъм

въздух.

Азот

Контролирани смеси от инертен газ

Атмосфера с контролиран кислород

Валицата трябва да е химически стабилна при всички посочени въздушни условия.

Химическата инертност е решаваща
Парите от оловен оксид могат да се отделят от PZT керамика, съдържаща олово, при високи температури.

Ако тези пари реагират с плочата или нагревателните елементи:

Може да има замърсяване

Ускорено разграждане на нагревателя

Повърхностната химия дестабилизира

Следователно огнеупорната керамика и химически устойчивите нагревателни системи са неразделни компоненти на монтажната плоча.

Контролна бележка
Термичната стабилност използва много{0}}зоново PID управление
Съвременните плочи за синтероване обикновено се контролират с много-зонални PID температурни системи с предварително програмирани топлинни профили.

Тази архитектура осигурява:

Независим контрол на отделните площи на плочата

Компенсация на топлинните загуби по ръба

Точно-процент-управление на промените

Стабилен контрол на температурата на накисване

Самият термичен профил е внимателно проектиран да:

Отстраняване на свързващо вещество

Синтероване на керамика

Съв-нагряване на електроди

Контролирано охлаждане: облекчаване на стреса

Усъвършенстваните системи могат да използват няколко термодвойки, разположени в цялата структура на плочата, за да осигурят непрекъсната проверка на еднородността по време на работа.

Проблеми с дизайна на плоча с голяма{0}}площ
Тъй като производствените обеми на задвижващите механизми се увеличават, става все по-предизвикателно да се постигне еднакво представяне върху по-големи площи на плочата.

Охлаждащи ефекти на ръба
В зависимост от използваната тактика за зониране, загубата на топлина в периферията на плочата може да доведе до студени петна.

Механична плоскост
Плочата трябва да е стабилна по отношение на размерите си, дори когато е циклично променяна многократно до температури над 1200 градуса.

Съвместимост с термично разширение
Комбинациите от материали, използвани в модула на плочата, трябва да могат да издържат на многократно разширяване и свиване без напукване или изкривяване.

В резултат на всички тези съображения високопроизводителните плочи за синтероване са сред най-сложните термични компоненти, използвани в производството на прецизна керамика.

Заключение
Нагрятата керамична пластина е основният високотемпературен инструмент, който превръща деликатен ламиниран пакет от керамичен прах и метално мастило в мощен, изключително прецизен пиезоелектричен задвижващ механизъм. Валицата осигурява отлична топлинна хомогенност по време на синтероване, така че керамичното тяло и имплантираните електродни слоеве да се уплътняват заедно без изкривяване, напукване или разслояване.

Тези плочи са изработени от огнеупорна керамика като алуминиев оксид и се нагряват от елементи от молибден или силициев карбид, поставени в тях. Те работят при температури, често надвишаващи 1100 градуса и осигуряват еднородност на температурата по цялата повърхност в рамките на няколко градуса. Тяхната висока термична маса, химическа инертност и усъвършенствани системи за много-зоново управление осигуряват стабилността, необходима за чувствителния, многочасов-процес на съвместно-изпичане.

Добре-контролираните температурни условия обикновено осигуряват най-малките и прецизни механични движения в сложните производствени системи. В производството на полупроводници най-добрите движения започват с най-безупречно регулираната топлина.