第43 卷第8 期2007年8 月
中国陶瓷
Vol.43 No.8Aug.2007
综述与评述
文章编号：1001-9642（2007）08-0003-04
董金美，沈建兴，李传山，张雷（山东轻工业学院，济南250353）
【摘要】：PZT压电厚膜材料是20世纪90年代发展起来的一种新型功能材料，它兼顾了块体材料和薄膜材料的优点，具有良好的压电、介电和热释电性能。简述了PZT压电厚膜的国内外研究进展，对PZT压电厚膜的制备方法做了简短的介绍，并对其改性研究做了较为详细的总结，最后，阐述了PZT压电厚膜在国内外的应用并展望了其前景。 【关键词】：PZT，压电厚膜，研究进展
体材料相比，PZT压电薄膜尺寸小、重量轻、工作电压低、能与半导体集成电路兼容，可制成非易失随机存取存储器、热释电红外探测器、压电微型驱动器与执行器等，但这些器件是基于PZT膜的厚度小于1μm的铁电薄膜的基础上得到的。实际上铁电膜的应用不仅仅局限于厚度小于1μm的薄膜微型器件领域，许多潜在的应用需要1μm～50μm厚度的压电膜，因为厚度小于1μm时，PZT薄膜易受
界面、表面效应的影响，尤其是薄膜与电极之间的界面效应在很大程度上会影响器件的整体性能，再加上PZT薄膜产生的驱动力较小，因而PZT薄膜在压电器件方面的应用受到了一定的限制。
20世纪90年代中期，PZT厚膜材料及厚膜器件成为科学工作者研究的热点。PZT压电厚膜材料兼顾了块体材料和薄膜材料的优点，与薄膜相比具有更大的驱动力和更为明显的压电效应。厚膜PZT材料制成的器件不仅工作电压低、使用频率范围宽、能够与半导体集成电路兼容，而且电性能优于薄膜材料。
引言
锆钛酸铅[Pb(ZrxTi1-x)O3，简称(PZT)]固溶体是一种性能优异的功能材料，具有优良的铁电、压电和热释电性能
[1]
，是目前研究的一个热点。PZT压电材料因其
居里温度和机电耦合系数高、温度稳定性好，且可通过适当的取代添加改性达到不同用途等特点，已被广泛应用于社会生产的各个领域，尤其是超声领域和电子科学技术领域，如医学及工业超声检测、水声探测等，可制成压电换能器、超声马达、显示器件和电控多滤波器等。
到目前为止，国外对PZT压电厚膜的研究已经很多，但国内对这方面的研究报告还较少。本文就PZT压电厚膜的研究进展、改性措施及国内外的应用情况作了较为详细的概述。
1.2 PZT厚膜的制备方法
20世纪90年代以来，厚膜的制备技术得到了很大的发展，如丝网印刷技术、新型溶胶-凝胶（Sol-gel）法[2]和电泳沉积法[3]等，其中丝网印刷技术最为成熟。
1.2.1 丝网印刷技术
丝网印刷技术(Screen Printing)是指将预烧好的PZT粉体与铅硼硅玻璃相成分经球磨混合、烘干后加入一定量的粘结剂、分散剂等有机载体，制备成均匀的厚膜浆料，然后将浆料经过网孔转移，沉淀到基片上，形成湿厚膜，然后根据自己所需要的厚度来决定印刷的次数，后经干燥，1000℃左右烧结成瓷。该方法使用传统的厚膜集成电路制备工艺，易于制备较厚的压电厚膜，且过程简单、成本低、易于批量生产，能完全与MEMS技术兼容，可用来制备MEMS压电微执行器。王蔚等[4]用丝网印刷在硅膜上印制了
膜厚达100μm、图形分辨率在500μm以上的PZT厚膜。但该方法不足之处是浆料难以混合均匀，有玻璃相成分，需高温烧结，且难以获得压电性能良好的PZT厚膜。
1.2.2 新型Sol-Gel技术（粉末-凝胶法）新型Sol-Gel厚膜制备技术是将PZT陶瓷超细粉分散于溶胶中，充分混合后形成均匀、稳定的PZT厚膜先驱体溶液，后经匀胶形成PZT湿厚膜，湿膜在450℃下进行热分解，形成无机PZT厚膜，然后利用反复涂敷技术来增加厚膜的厚度，最后在适当的温度下煅烧制成钙钛
中国陶瓷│CHINA CERAMICS│2007(43)第8 期│3
1 PZT厚膜的研究进展
1.1 PZT厚膜的发展史
自19世纪80年代居里兄弟在石英晶体上发现压电效应至今，人们对压电材料的探索一刻也没有停滞。从压电单晶材料到压电陶瓷材料，从BaTiO3陶瓷到PbZrO3-PbTiO3(PZT)固溶体系统，从钙钛矿型压电陶瓷到非钙钛矿型压电陶瓷，压电材料的研究经历了几个不同的阶段。
1965年，松下电器公司的研究人员在PZT的组成中加入
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3（铌镁酸铅），试制成功了三元系压电陶瓷，取名为PCM。此后，各种性能优良的
三元系、四元系压电陶瓷不断问世。这些新的多元系统的共同特点是烧结性能好，在烧结过程中铅挥发少，容易获得气孔率低、均匀致密的陶瓷，可以在更大的范围内调节电性能等，所以近年来一直成为研究的热点。
近几年电子器械向着小型化和微型化的方向发展，压电材料也开始由块体材料向着膜材料的方向发展。与块
收稿日期：2007-4-7
中国陶瓷2007年第8 期
矿结构的PZT厚膜。新型Sol-Gel技术虽不同于普通的Sol-Gel制膜技术，但保持了普通Sol-Gel技术的基本特点，能成功地制备出2
μm-50μm的厚膜。夏冬林等[5]采用新型Sol-Gel技术在Pt／Ti／SiO2／Si基片上成功制备出了厚度在2μm～60μm之间且均匀、无裂纹、高致密的PZT铁电厚膜材料。这种新型Sol-Gel方法具有设备简单、
成本低、能与半导体工艺兼容、均匀性好、组分能精确控制及合成温度低等优点。
1.2.3 电泳沉积法
电泳沉积法（electro/phoretic deposition，EPD）是指将所制备的PZT细粉分散在悬浮液中，配成不同浓度的悬浮液，用酸碱溶液调节悬浮液的pH值，通过超声分散和磁力搅拌获得稳定的悬浮液，恒压条件下，使带电粒子在电场的作用下发生定向移动，从而得到一定厚度的PZT厚膜。这种方法具有设备简单、成膜快、被镀件形状不受限制、膜厚均匀可控等优点。Tassel等[6]和Su等[7]分别采用电泳沉积技术从水悬浮液中制备了PZT薄、厚膜；Sweeny等[8]则从丙酮悬浮液中电泳沉积制备了PZT陶瓷膜；张瑞芳等[3]利用电泳沉积技术从乙醇悬浮液中制备了膜厚约70μm且均匀、致密的PZT厚膜。
1100℃～1200℃，而氧化铅(PbO)的挥发温度为800℃左右。因此，在烧结过程中很容易造成PbO的挥发，导致厚膜性能下降；另外，高的烧结温度使得基板、电极和PZT厚膜之间相互扩散严重，导致基板、电极和PZT厚膜之间的粘结性下降，影响了厚膜的压电性能。采用镍、铜、银等碱金属作内电极低温共烧不仅可以降低实验成本，而且在抑制PbO挥发、保证材料性能、减轻环境污染、延长设备寿命方面有着重要的技术和经济价值。目前，低温烧结主要有添加烧结助剂和超细粉体法两种方法。Yongbae Jeon [12]在PZT粉体中加入5%Bi 的低熔点玻璃粉，结果PZT厚膜在925℃下即可烧结成瓷，大大降低了烧结温度，减少了基板与电极、PZT层之间的渗透作用，有利于PZT 厚膜压电性能的提高；M.Hrovat等[13]用PbO和GeO2在700℃下合成了Pb5Ge3O11，然后在粉体中加入2%的Pb5Ge3O11作为烧结助剂，
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