第28卷第5期 硅 酸 盐 通 报
玻璃模具设计V o.l 28 N o .5 2009年10月 BULLET I N O F THE C H I NESE CERAM IC S OC IETY O ctobe r ,2009
周 静，孙海滨，刘俊成
(山东理工大学，淄博 255091)
摘要：本文首先阐述了压电陶瓷显示器的工作原理，压电陶瓷显示器利用压电陶瓷的逆压电效应，采用压电陶瓷驱 动器作为像素驱动源。其次，介绍了显示器用压电陶瓷驱动器的制备工艺，分析了显示器用压电陶瓷可用的材料 体系。最后，对制约陶瓷显示器发展的关键技术作了探讨。
关键词：逆压电效应；压电陶瓷驱动器；压电陶瓷显示器
中图分类号:TN384 文献标识码:A 文章编号:1001-1625(2009)05-0997-05
Appli cati on of P iezoel ectric Cera m ic M ateri als on D isplay T echno l ogy
Z HOU J ing,SUN H ai -bin,LI U Jun-cheng
(Shandong Un i versit y ofT echnol ogy ,Z i bo 255091,Ch i na)
Abst ract :The w orking princ i p le of piezoelectric cera m ic d isplays w as descri b ed in this paper .U tilizing
the inverse piezoelectric effec,t the piezoelectr ic cera m ic display takes p i e zoe lectric actuator as its pi x e l
driv i n g source .The preparati o n processes of piezoe lectric cera m ics w ere introduced and the available
cera m ic m ater i a ls fo r disp lay were analyzed .F i n ally ,key technolog ies restricting t h e deve l o p m ent o f
cera m ic d isplays were d iscussed .
K ey w ords :i n verse piezoe lectric effec;t p iezoelectric actuator ;p i e zoe lectric cera m ic disp lay
基金项目：教育部 新世纪优秀人才支持计划 (N o .NCET-04-0648)
作者简介：周 静(1965-)，女，中级职称，主要从事陶瓷材料的制备与研究.
通讯作者：刘俊成.E-m ai:l j ch li u@s du t .
1 引 言
利用压电陶瓷的逆压电效应，可方便地实现精密的位移控制，制成压电陶瓷驱动器。近年来，压电陶瓷驱动器的研究和应用发展迅速，已在功能陶瓷中形成了一个重要分支。其应用涉及到激光通讯、生物工程、纳米加工、自动控制、精密光学、微型机械、微电子技术、计算机应用等高新技术领域，在国民经济中发挥着越来越重要的作用。
与一般微驱动器相比，压电陶瓷驱动器具有线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、不发热、无噪声、无电磁干扰、低电压驱动及易于微型化的优点，其最大特点是为微米、纳米量级的位移或运动提供了新手段和新途径[1]。因此，压电陶瓷驱动器成为精密位移调节装置的关键部件。利用压电陶瓷驱动器的这些优
异性能，针对当前主流显示器存在的诸如易受电磁干扰、 坏点 、 蚀刻 等缺陷[2,3]，人们提出了开发压电陶
瓷显示器的新思路[4]，并开展了一系列的研究工作。
本文首先对压电陶瓷显示器的工作原理进行阐述，然后针对显示器用压电陶瓷驱动器的制备工艺及材料体系的选择提出个人浅见。
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综合评述硅酸盐通报 第28卷2 压电陶瓷显示器的工作原理
压电陶瓷驱动器是压电陶瓷显示器的核心部件，在其中充当像素驱动源的角。压电显示器的结构如图1所示[4]，许多驱动器致密有序地排列在基板上，并在其上端印刷像素部，这样，压电陶瓷驱动器就成了像素驱动源。像素驱动源与上面的导光板之间存在一定间隙，在交流电压驱动下，像素部会产生高精度伸缩位移，从而与导光板或接触或分离。因像素部与导光板的折射率存在差异，所以，当光线以一定角度射入导光板时，在接触的子像素处会发生全反射，从而发出相应颜的散射光，在分离处则无光发出。如此一来，通过控制压电陶瓷驱动器的变位动作，控制像素部与导光板接触或脱离，最终就可控制各子像素发光和不发光。
图1 压电陶瓷显示器的结构及工作原理示意图
F i g.1 P r i nciple and structure o f piezoe l ectric ceram i c disp l ay
压电陶瓷显示器利用压电陶瓷驱动器的高速响应特性，仅用时间调制就可以实现对应全彩的各256阶调，相当于绘画时的调过程。具体来讲，在1帧时间内，根据图像信号，可以通过控制子像素连续保持开启状态的时间来实现阶调，最终便可实现理想的图像显示。
压电陶瓷显示器具有视角宽、亮度高、分辨率高等优异性能。同时，由于其工作原理的特殊性，压电陶瓷显示器能避免主流显示器存在的易受电磁干扰以及 坏点 、 蚀刻 等问题。此外，采用面板拼接技术，该显示器还可实现大屏幕超薄显示，这为开发新型的大屏幕显示器提供了一种新途径。
3 压电陶瓷驱动器的制备工艺
所谓面板拼接技术，是指首先制造出许多小型面板，然后像砌瓷砖一样将其拼接成一个大型面板，从而形成显示器。小型面板是压电陶瓷显示器的基本单位，面积在90mm2左右，驱动器按横向96 纵向64(共6144个)的二维排列固定在上面。可见，压电陶瓷驱动器的尺寸必须足够小，故对其制备工艺提出了极高要求。目前，主要微细加工工艺如下:吊车轨
3.1 无模成型工艺
无模成型工艺主要有光造型快速成型工艺、喷射打印工艺、激光原位烧结快速成型工艺等[5]。这些工艺的原理基本相同，都是采用叠层法将物体的二维平面叠加成三维立体结构。
光造型快速成型工艺利用聚合物液体经光照射后硬化的性质，可以制备出具有复杂形状的三维微细结构，其缺点是只适合光硬化聚合物，不适于陶瓷材料。喷射打印技术是将待成型材料的粉末制成像墨水一样的低粘度浆料，通过打印机逐层打印成型。但是，由于其固相含量低，要实现多层打印仍有很大难度。激光原位烧结工艺是利用激光对逐层铺上的粉末进行扫描加热，从而实现叠层成型，该方法适合于塑料、金属、陶瓷等多种材料，只是在成型精度和成型体的致密度方面还有待突破。
3.2 精密机械切割法
精密机械切割加工是制造压电微型器件常用的方法。它利用金刚石刀具将压电材料块体或厚膜切割成
第5期周 静等：压电陶瓷在显示技术中的应用999
微柱并排列成阵列，进一步组装成器件[6]。但是用机械切割加工压电微型器件存在尺寸上的限制，加工几十微米以下的微柱阵列比较困难。同时，压电陶瓷一般强度低、韧性差。这些都给机械切割带来更大难度。
3.3 模具成型工艺
模具成型是制备压电陶瓷微柱阵列及三维微型电子器件的常用方法，它可以突破机械加工的尺寸极限。该方法是通过蚀刻S i板、聚合物或A l2O3膜等材料作为模板，结合注射成型、电化学沉积、化学气相沉积等技术制备出具有孔径相同、取向一致的柱状结构材料。
3.3.1 L I G A加工技术
LI GA(德文:L ithographie,Galvano for m ung,Abfor m ung)加工技术是德国卡尔斯鲁核能研究中心以同步辐射X光源发展起来的微细加工技术，综合了辐射光蚀刻、电铸和细微模造成型等技术，可以制造塑料、金属、陶瓷等微小元组件，其加工纵深与宽度比可以高达200倍[7]，不失为制备压电陶瓷驱动器的一种理想途径。
H irata等人利用LI G A工艺，曾制备出直径25 m、高250 m的PZT柱，但在烧结工艺过程中存在PZT柱的倒塌和不致密等问题[5]。此外,LI GA技术所需的设备比较昂贵，不利于大规模推广。
3.3.2 硅模工艺
指示牌制作
硅模工艺融合了硅晶片的微细加工技术和材料成型技术，利用微加工的硅晶片作为模具不仅可以突破金刚石刀片切割法的微加工极限，还可以通过模内热等静压烧结的方法使PZT柱烧结致密、而且保持整齐的排列。
硅模工艺的工艺流程是，首先，用匀胶机在硅晶片的表面涂一层感光胶，然后将其置于掩模板之下进行曝光，通过显影处理后就会在感光胶层形成事先设计好的图样。将感光处理后的硅晶片进行反应性离子刻蚀，无感光胶保护的部位就会被刻蚀成微孔。模具制好之后，在上面浇注PZT粉末的浆料(含粘结剂)，经干燥、脱脂后真空封入玻璃包套里，进行热等静压烧结。最后，利用一种特殊的气体(Xe F2)将硅模选择性地腐蚀掉，即得到PZT的微柱阵列。得到PZT微柱阵列之后，就在它上面浇注适当的聚合物并通过抽真空去掉气泡，待固化之后从垂直PZ T微柱的两面研磨直至埋在聚合物中的PZT柱露出两个端面。接下来，按设计好的图形在复合材料的两面蒸镀金属膜，再将PZT极化，就得到了排列致密有序的压电陶瓷驱动器阵列。
李敬峰[5]用该法制得了排列整齐的致密阵列，微柱高90 m，边长7 m，纵横比高达12。实验得到的20
000多根PZT微柱，没有发现1根PZT微柱变形、破损或倒塌。
3.3.3 电泳沉积工艺
虽然采用硅模工艺可以获得理想的微柱阵列，但是该工艺比较复杂，制备过程的能耗也较大。与此相比，电泳沉积具有简单方便、成本低、原料可循环利用等优点。刘静[6]、康妮[8]对电泳沉积工艺制备微柱阵列及PZT厚膜进行了相关研究。在二人的研究基础之上，笔者总结了电泳沉积制备PZT微柱阵列的工艺流程。首先，配制出一定浓度的PZT酒精悬浮液，并加入浓H C l作为分散剂，使H+吸附于颗粒表面，从而使颗粒悬浮。采用石墨作为正负电极，带孔的镀Pt硅片作为基板，该硅模板是使用反应性离子蚀刻制备的。用导电胶将镀Pt硅片与负极相连，以保证基板与电极等电势，从而实现电泳沉积，带H+的PZT粉末便沉积到硅片上的微孔里面。经低温活化烧结，可得到致密整齐的微柱阵列。然后采用与硅模工艺相同的镀电极、极化等后处理工作，最终得到性能优异、排列致密有序的压电陶瓷驱动器阵列。
综上所述，无模成型工艺、精密机械切割法和LI G A加工技术均难以满足制备压电陶瓷驱动器微柱阵列的工艺要求。而硅模工艺与电泳沉积工艺则表现出极大优势，不仅突破了尺寸限制，而且均能获得性能优异、排列整齐的微柱阵列，非常适合制备显示器用压电陶瓷驱动器阵列。
4 压电陶瓷驱动器材料
压电陶瓷显示器对压电陶瓷材料性能提出了高压电应变常数、高居里点、高机电耦合系数、高频率常数等极高要求。
目前应用最广泛的压电陶瓷是PZT(锆钛酸铅)基压电陶瓷，这是因为它压电效应显著、居里温度高、抗
1000
综合评述硅酸盐通报 第28卷辐射性能强，且易于与半导体集成技术相结合。但它却对人体和环境有害。因此，人们开始寻性能优异的无铅压电陶瓷材料。
国内外研究最多的无铅压电陶瓷材料主要有以下体系：钛酸钡基无铅压电陶瓷；钛酸铋钠基无铅压电陶瓷；铌酸盐系无铅压电陶瓷和铋层状结构无铅压电陶瓷[9]。
4.1 钛酸钡基无铅压电陶瓷
钛酸钡(Ba T i O3)基无铅压电陶瓷的研究及应用到目前已相当成熟。但Ba T i O3陶瓷居里温度较低(T c= 120 )，工作温度范围较窄，压电性能属于中等水平，难以通过掺杂改性来大幅度改善其压电性能，且在室温附近存在相变，所以其在压电方面的应用受到限制。
4.2 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷
钛酸铋钠B i0.5N a0.5T i O3(B NT)是钛酸盐系列的典型代表。B NT具有弛豫铁电体的特征，具有相对较大的剩余极化强度Pr(38 C/c m2)和极高的矫顽场(7.5kV/mm)，且具有压电系数大(k t、k p约50%)、介电系数小(240~340)、声学性能好(其频率常数N P=3200H z m)等优异性能。由于其矫顽电场高以及在铁电相区电导率较高，因而极化困难，难以制得实用的压电陶瓷。
为了克服B NT陶瓷极化困难和难以烧结成致密样品的缺点，人们通过添加多种钙钛矿结构掺杂物对BNT进行改性。日本学者Takennka等[10]通过引入Pb、Ba、Ca、Sr、M n等元素，降低了BNT过高的矫顽场强，避免了因B NT铁电相较高的电导率导致的极化困难，成功解决了BNT材料极化难的问题。
4.3 铌酸盐系无铅压电陶瓷
铌酸盐系无铅压电陶瓷主要包括Na NbO3、KNbO3、L i N bO3等。该类陶瓷具有密度小、声学速度高、机械品质因数Q m大、机电耦合系数k p大、介电常数低、压电性能高、频率常数大等优点，因此铌酸盐系压电陶瓷是频率器件首选材料。然而，由于碱金属的易挥发性，采用传统陶瓷工艺难以获得致密性良好的陶瓷体，使陶瓷性能变差。采用热压或等静压工艺能够获得致密的Na NbO3-KN bO3陶瓷，材料的温度稳定性得到较大改善，相对密度可达99%。
4.4 铋层状结构无铅压电陶瓷
千斤顶设计
铋层状压电陶瓷具有介电常数低(127~154)、自发极化强、居里温度高(T c>500 )、机械品质因数Q m 高(2000~7200)、电阻率高、老化率低、易烧结、压电和介电性能各向异性大、温度稳定性好等特点。这些特性决定了该类陶瓷特别适用于高温高频场合，从而解决了高功率共振下PZT(锆钛酸铅)基压电陶瓷性能不稳定的缺陷。但是，这种材料压电活性低、极化场强高[11]。为了改善铋层状结构的压电活性，通常采用两种方法，即掺杂改性和工艺改进。研究表明[12]：向B i4T i3O12中掺入Nb5+或V5+，可使材料的电阻系数从原来的1010~1011 c m提高到1013~1014 c m，居里温度也超过了650 。这些性质决定了铋层陶瓷适合做高温传感器、振荡器及驱动器等。
综上所述，从现有无铅压电陶瓷材料体系的性能看，铌酸盐系和铋层状结构无铅压电陶瓷具有极大开发潜力，压电性能优异，且均能满足压电陶瓷显示器的高频率工作要求，有望取代铅基压电陶瓷而成为压电陶瓷显示器的首选材料。
5 技术难题
5.1 迟滞、蠕变特性
在实际应用中，压电陶瓷本身具有的一些固有的特性(如迟滞、蠕变等)给高精度的位移控制带来极大影响。为了减小压电陶瓷的迟滞对位移输出的影响，国外学者提出了很多补偿方法[13]。目前，消除迟滞、蠕变的方法一般是在控制过程中采用闭环控制，这种模式需要一个附加的位移传感器来测定位
移量，与控制器的目标位移进行对比校正，组成一个复杂的控制调整机构[14]。
5.2 场致疲劳
在交变电场的作用下，压电陶瓷会因铁电畴壁活性降低而呈现出宏观铁电性能的衰退，材料的内部常常
第5期周 静等：压电陶瓷在显示技术中的应用1001
会产生微裂纹、分层或断裂现象[15]，这就是所谓的场致疲劳现象。其内在原因主要由于界面性质的差异。陶瓷与电极界面处热膨胀系数不同或两者之间存在化学反应，均会对压电陶瓷的疲劳性能产生不利影响。Zhang等[16]通过向陶瓷料中掺入电极粉或向原电极中掺入陶瓷粉，大大提高了界面结合力。电场与温度是影响疲劳性能的主要外在因素。分别对两因素进行研究可以发现：场强大于矫顽场强或频率很高时均会造成电疲劳。另外，在一定温度范围内，抗疲劳性能随温度升高而增强，当温度超过某一临界值时，材料进入顺磁相，疲劳现象消失。
6 结 语
压电陶瓷显示器有望克服当前主流显示器存在的易受电磁干扰、 坏点 、 蚀刻 等缺陷，具有广泛的市场前景。压电陶瓷显示器用驱动器阵列可由硅模工艺或电泳沉积工艺制得，并且可选铌酸盐系和铋层
状结构无铅压电陶瓷来取代铅基压电陶瓷。尽管压电陶瓷显示器的研制取得一些进展，但是仍存在一系列关键工艺技术问题亟待解决:
(1)虽然部分无铅压电陶瓷的性能优异，但与PZT基压电陶瓷相比仍有很大差距，还应通过掺杂改性、工艺改进等措施进一步提高其压电性能;
(2)为了使压电陶瓷的迟滞、蠕变补偿精度能更好地满足超高精度定位控制的要求，科技工作者们需进一步通过实验来研究修正补偿或有效控制，以减少压电陶瓷驱动器的蠕变对定位精度的影响;
(3)现阶段的场致疲劳研究大多集中在电场、温度场单独作用下，而对多场耦合作用下场致疲劳的研究较缺乏，而实际上的压电陶瓷器件在多场耦合条件下工作，因此加强对多场耦合作用下场致疲劳机理的研究十分必要。
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