PZT直接印刷于玻璃基底，实现表面触觉反馈执行器
2025-08-30 21:37:00   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

锆钛酸铅（PZT）因其高压电系数和宽频率响应而成为表面触觉执行器的主要压电材料。然而，目前的制造方法依赖于将块体PZT粘合到玻璃基底上，这种方法效率低且劳动密集。

据麦姆斯咨询报道，近日，新加坡南洋理工大学开发了一种改性的PZT油墨配方，用于在具有银（Ag）电极的耐高温玻璃上直接印刷。这种方法的一个主要挑战是PZT所需的高烧结温度，这可能会超过玻璃的热极限。为了克服这一点，CuO改性实现了900°C的低温烧结 ，同时保持强压电性能（d₃₃：270-310 pC/N，d₃₁：-40至-50 pC/N）。最终制备的压电执行器在36 kHz频率下产生驻波兰姆波，在10 V峰-峰值的低驱动电压下实现了1.2 µm的位移。这些结果证明了CuO改性的油墨印刷PZT用于高效、高性能压电表面触觉执行器的可行性。相关研究成果以“Direct printing of PZT on glass for surface haptics”为题发表在npj Flexible Electronics期刊上。

PZT油墨制备、印刷、烧结和极化过程，以在玻璃基底上形成PZT基触觉执行器。

在这项工作中，研究人员首先通过研究其流变特性来开发一种稳定的PZT油墨。然后，通过优化印刷参数，将油墨印刷到玻璃基底上。随后，进行了简单的田口实验设计（DOE）来优化烧结参数。之后研究了烧结样品的电学性能，包括介电、铁电和压电特性。最后，进行了可靠性和剥离测试，以证明其鲁棒性和实用性。

对于流变特性，了解PZT粒径至关重要，因为它有助于深入了解颗粒在悬浮液/油墨中的相互作用。利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和动态光散射（DLS）研究了PZT的粒径和粒径分布。研究人员观察到PZT具有单峰分布的颗粒特征，团聚体的尺寸范围为500 nm至1.3 μm，平均尺寸（d₅₀）为712 nm。通过使用ImageJ软件从各种显微照片中测量至少50个颗粒来确定颗粒的平均尺寸，发现为353 nm。

PZT粉末粒径及分布研究

Triton X-100用作分散剂，以制备可印刷、稳定且均匀的PZT油墨悬浮液。当分散剂浓度为0.375 wt%时，悬浮液达到其最低粘度10.6 mPa.s。

分散剂浓度对PZT油墨影响的研究

采用直接油墨书写（DIW）技术在玻璃基底（50 mm × 5 mm × 0.7 mm）上印刷PZT油墨。在基底上实现均匀印刷，需要仔细考量多个参数，包括气压、印刷速度和印刷重叠。这些因素在确保印刷品的均匀一致性方面起着关键作用。下图示出了为获得高质量印刷而改变的参数。

PZT油墨印刷参数对PZT油墨涂层均匀性的影响

在这项研究中，2 h（保温时间）、900 °C（烧结温度）和7 °C/min（升温速率）具有最大的信噪比（S/N）和均值，表明这是最优参数组合。此外，烧结研究是在方差分析得出的最佳水平下进行的。CuO改性实现了900 °C低温烧结，同时保持强压电性能（d₃₃：270-310 pC/N，d₃₁：-40至-50 pC/N）。

采购的APC 841 PZT粉末和印刷PZT的比较

玻璃上印刷PZT的介电和压电性能

此外，研究人员还进行了可靠性和剥离测试，证明了玻璃上印刷PZT的鲁棒性和实际适用性。

玻璃基底上印刷PZT的粘附特性评估

为验证所开发的PZT基压电油墨及其制备工艺在表面触觉领域的适用性，研究人员制作了一款触觉演示原型。印刷PZT执行器利用振动板中的驻波兰姆波，在36 kHz的激励频率下产生了显著的触觉效应。尽管在10 V峰峰值（peak-to-peak）的低单极驱动电压下操作，执行器也实现了1.2 µm的位移幅度，突出了印刷PZT薄膜在将电能转换成触觉机械振动方面的有效性。这些结果验证了将CuO改性的油墨印刷PZT用于高效压电触觉执行器的可行性。

使用演示原型展示表面触觉应用

总而言之，这项工作提出了一种在玻璃基底上制造PZT执行器的直接印刷方法，为适合表面触觉应用的压电陶瓷器件制造提供了一种可扩展且具有成本效益的途径。通过优化粘合剂与粉末的比例、微调印刷参数和精确控制烧结条件，研究人员成功制造出印刷PZT执行器，其压电性能和机械完整性可与块体PZT陶瓷相媲美。田口实验设计（DoE）和方差分析在确定最佳烧结参数，实现致密微结构和增强功能性能方面发挥了关键作用。重要的是，PZT粉末的CuO改性促进了在900°C的烧结温度下的有效致密化，该温度远低于传统PZT陶瓷所需的典型温度范围。这种温度降低拓宽了与耐高温玻璃基底的兼容性，从而简化了器件集成。

除了在触觉反馈系统中的直接应用外，可印刷油墨配方还提供了相当大的设计灵活性，有可能加速包括消费电子、汽车接口和医疗设备在内的一系列行业的集成小型化驱动系统的发展。此外，该工艺的直接写入特性支持定制几何形状和多材料器件架构的制造。

未来的努力应集中在进一步降低烧结温度或探索局部烧结方法（例如激光或光子烧结），以消除对耐高温玻璃的需求。这一进步将使这种材料系统能够适应更广泛的市售玻璃基底，从而扩大印刷PZT执行器在下一代触觉技术中的适用性。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41528-025-00475-8

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