Kakšno vlogo imajo ogrevane keramične plošče pri sintranju večplastnih piezoelektričnih aktuatorjev?

Majhne, ​​zmogljive "mišice", imenovane večplastni piezoelektrični aktuatorji, lahko leče, ventile in polprevodniško opremo postavijo z nanometrsko-natančnostjo. Izdelane so z zlaganjem na stotine ultra-tankih keramičnih listov, na katere so s sito-natiskom kovinske notranje elektrode, in nato so-sožganjem celotne strukture v gost monoliten blok. Grelna plošča, ki izvaja to sintranje, mora biti model toplotne homogenosti.

Toplotna enotnost v svetu proizvodnje piezoelektričnih aktuatorjev za sintranje ogrevane keramične plošče ni samo zaželena – je nujna. Celo majhni temperaturni gradienti na površini žganja lahko povzročijo zvijanje keramičnega sklada, zlom vdelanih elektrod ali povzročijo notranje mehanske napetosti, ki trajno poslabšajo delovanje aktuatorja.

Zakaj je sintranje pomembno za piezoelektrične aktuatorje
Keramične sestavke svinčevega cirkonat titanata (PZT) se pogosto uporabljajo za izdelavo večplastnih piezoelektričnih aktuatorjev. Aktuator je krhko laminirano "zeleno telo", ki je sestavljeno iz: Pred sprožitvijo,

Tanki trakovi keramičnega traku

Lepila, organska

Topila

Natisnjeni so kovinski dizajni elektrod

Tlačni vmesniki za laminacijo

Med procesom sintranja se keramični delci zlijejo in zgostijo, notranje elektrode pa se prav tako zlijejo v prevodne plasti.

Vzame krhek kup prahu in kovinskega črnila ter ustvari trdno elektro{0}}mehansko strukturo, ki lahko ob uporabi elektrike ustvari silo in gibanje.

Vloga ogrevane keramične plošče
Vroča plošča je temperaturna osnova sistema za sintranje.

Ima naslednje odgovornosti:

Mehanska podpora aktuatorja sklada

Enakomerna porazdelitev toplote

Zmanjšanje toplotnih gradientov

Stabilizacija okolja žganja

Lokalno preprečevanje pregrevanja

Plasti aktuatorja so precej tanke, zato lahko majhna temperaturna razlika povzroči neenakomerno krčenje med zgoščevanjem.

To diferencialno zgoščevanje lahko povzroči:

Izkrivljanje

Lomljenje

Notranje vrzeli

Luščenje elektrode

Zmanjšana piezoelektrična zmogljivost

Plošča tako služi kot termični stabilizator in naprava za nadzor dimenzij.

Materiali za plošče za-visokotemperaturno sintranje
Plošča je običajno izdelana iz ognjevarnih keramičnih materialov, ki lahko prenesejo dolgotrajen stik z močno vročino.

Keramične plošče iz aluminijevega oksida
Visoko{0}}čist aluminijev oksid je pogosto izbran, ker zagotavlja:

Dobra toplotna stabilnost

Visoko kompresijsko razmerje do trdnosti

Izolacija za električno uporabo

Odpornost na kemikalije

Odpornost na toplotni udar

Keramično ogrodje dodatno zmanjša kontaminacijo krhkih PZT elementov med gorenjem.

Vgrajeni grelni elementi
Plošča ima lahko vgrajene visokotemperaturne grelne elemente, npr.

Elementi odpornosti na molibden

Grelni elementi iz silicijevega karbida (SiC).

Sistemi molibdenovega disilicida

Takšni grelni materiali so bili izbrani zaradi svoje sposobnosti zagotavljanja stabilne toplotne moči v več-urnih ciklih sintranja pri temperaturah nad 1000 stopinj.

Ekstremna izenačenost temperaturnih zahtev
Ena glavnih težav v procesu sintranja piezoelektričnega aktuatorja z ogrevano keramično ploščo je doseganje zelo konstantne površinske temperature.

Normalne temperature sintranja
Natančna temperatura žganja se razlikuje glede na specifično keramično formulacijo, vendar so pogonske naprave na osnovi PZT- običajno sintrane med:

1100 stopinj in 1300 stopinj

Diferencialni učinki krčenja povečajo rahla toplotna odstopanja pri teh temperaturah.

Zahtevana toplotna natančnost
Cilji enakomernosti temperature za industrijske plošče za sintranje so pogosto znotraj:

±1 stopinja do ±2 stopinji nad aktivno površino

To merilo je zaradi zelo visokih delovnih temperatur zelo težko.

V peči je plošča vroča tiha popolnoma enakomerna stopnja, ko se morajo vse keramične plasti skrčiti skupaj.

Preprečevanje zvijanja in razslojevanja
Piezoelektrični aktuatorji so več-plastni in se zato srečujejo z določenimi nenavadnimi temperaturnimi težavami.

Diferencialna poravnava
Če se en del sklada segreje hitreje kot drugi:

Stopnja krčenja keramike je drugačna

Kopičenje notranjih napetosti

Pojavi se popačenje plasti

Že najmanjša odstopanja v velikosti lahko vplivajo na natančnost aktuatorja do končnega-uporabnika.

Stabilnost notranje elektrode
Plasti paladijeve-srebrne elektrode so nameščene med keramične plošče in bi se morale sintrati istočasno kot okoliška keramika.

Neenakomerno segrevanje lahko povzroči:

Vrzel med elektrodami

Luščenje plasti.

Zlom

Izguba prevodnosti

Zmanjšana elektromehanska sklopka

Zato je vzdrževanje enotnih toplotnih pogojev po celotnem dimniku ključnega pomena za strukturno in električno učinkovitost.

Zakaj uporabljati visoko toplotno maso?
Sintralne plošče so zasnovane tako, da imajo znatno prostornino in toplotno vztrajnost.

Prednosti visoke toplotne vztrajnosti
Velika toplotna masa pomaga:

Odpravite temperaturna nihanja

Odporen na hitre toplotne motnje

Vpliv gladkega ogrevalnega cikla

Pogoji žganja naj bodo dosledni za-dolgotrajno žganje

Ta stabilnost je še posebej pomembna, saj lahko cikli piezoelektričnega vžiga trajajo več ur in vključujejo:

Postopna dvigovanja-

Stopnje izgorevanja-veziva

Časi namakanja pri visoki temperaturi

Počasni regulirani cikli hlajenja

Velika keramična plošča deluje kot toplotni vztrajnik za celoten proces v peči.

Upravljanje atmosfere pri sintranju
Okolje sintranja bistveno vpliva na obnašanje tako keramike kot elektrode.

Nadzorovane atmosfere
Postopek lahko deluje v: Na podlagi kemikalije aktuatorja

zrak.

Dušik

Kontrolirane mešanice inertnih plinov

Atmosfere z nadzorom kisika

Plošča mora biti kemično stabilna v vseh navedenih zračnih pogojih.

Kemijska inertnost je ključnega pomena
Hlapi svinčevega oksida lahko pri visokih temperaturah izhajajo iz PZT keramike, ki vsebuje svinec.

Če ti hlapi reagirajo s ploščo ali grelnimi elementi:

Lahko je prisotna kontaminacija

Pospešena degradacija grelnika

Površinska kemija destabilizira

Ognjevzdržna keramika in kemično odporni ogrevalni sistemi so zato sestavni sestavni deli plošče.

Kontrolna opomba
Toplotna stabilnost uporablja več-conski PID nadzor
Sodobne sintralne plošče so na splošno nadzorovane z več-conskimi temperaturnimi sistemi PID z vnaprej programiranimi toplotnimi profili.

Ta arhitektura zagotavlja:

Neodvisen nadzor posameznih površin plošče

Kompenzacija toplotne izgube robov

Natančna stopnja--upravljanja sprememb

Stabilen nadzor temperature namakanja

Sam toplotni profil je skrbno zasnovan za:

Odstranitev veziva

Sintranje keramike

So-žaganje elektrod

Nadzorovano hlajenje: razbremenitev

Napredni sistemi lahko uporabljajo več termočlenov, nameščenih po celotni strukturi plošče, da zagotovijo stalno preverjanje enakomernosti med delovanjem.

Težave oblikovanja velike{0}}površinske plošče
Ker se proizvodni obseg aktuatorjev povečuje, postaja vse večji izziv doseči enakomerno delovanje na večjih ploščah.

Hladilni učinki na robu
Odvisno od uporabljene taktike coniranja lahko izguba toplote na obodu plošče povzroči hladne točke.

Mehanska ploskost
Plošča mora biti dimenzijsko stabilna, tudi če je večkrat izpostavljena temperaturam nad 1200 stopinj.

Združljivost s toplotno ekspanzijo
Kombinacije materialov, uporabljene v sklopu plošče, morajo biti sposobne preživeti ponavljajoče se širjenje in krčenje brez razpok ali deformacij.

Zaradi vseh teh premislekov so-visoko zmogljive plošče za sintranje med najbolj zapletenimi toplotnimi komponentami, ki se uporabljajo pri izdelavi precizne keramike.

Zaključek
Ogrevana keramična plošča je bistveno visokotemperaturno orodje, ki pretvori občutljiv laminiran kup keramičnega prahu in kovinskega črnila v zmogljiv, izjemno natančen piezoelektrični aktuator. Plošča zagotavlja odlično toplotno homogenost med sintranjem, tako da se keramično telo in plasti vstavljene elektrode zgostijo skupaj brez zvijanja, razpok ali razslojevanja.

Te plošče so izdelane iz ognjevzdržne keramike, kot je aluminijev oksid, in se segrevajo z elementi iz molibdena ali silicijevega karbida, ki so vstavljeni vanje. Delujejo pri temperaturah, ki pogosto presegajo 1100 stopinj in zagotavljajo enakomernost temperature po površini v nekaj stopinjah. Njihova visoka toplotna masa, kemična inertnost in napredni več-conski nadzorni sistemi zagotavljajo stabilnost, potrebno za občutljiv, več{4}}urni postopek so-sožiga.

Dobro-nadzorovani temperaturni pogoji na splošno zagotavljajo najmanjše in najbolj natančne mehanske gibe v sofisticiranih proizvodnih sistemih. V proizvodnji polprevodnikov se najboljši gibi začnejo z najbolj brezhibno regulirano toploto.