一种新型压电薄膜驱动微定位平台分析与建模研究

发布时间：2020-05-19 16:00

【摘要】：微/纳定位技术是微/纳米制造、微观成像、纳米压印、硬盘高密度数据存储及光刻等诸多行业的核心共性技术,但随着相关精密工程及技术领域的飞速发展,对微纳定位系统的性能及结构尺寸等提出了苛刻要求。特别是在内窥镜光学相干断层扫描、高密度光存储等新兴应用场合,微定位平台的紧凑结构、多自由度运动与高响应速度的设计成为关键。传统压电叠堆驱动器,因其尺寸的限制很难满足相应领域的应用需求;而压电薄膜驱动器作为驱动元件,具有结构紧凑、能量密度高、可靠性高、分辨率高和频响高的优点,在相关领域的研究中得到了越来越广泛的研究与重视。本文结合柔性铰链结构与压电薄膜驱动器,设计了一种新型三维压电薄膜驱动微定位平台,其通过弹性变形实现多维运动定位,具有结构紧凑、无摩擦、无冲击等优点。文中针对压电薄膜驱动器和压电薄膜驱动微定位平台进行了设计、建模和仿真研究,具体研究内容如下:基于压电材料特殊的机电耦合特性,研究了压电薄膜驱动器的驱动机理,并完善了压电薄膜驱动器的理论分析模型。根据力平衡条件下的欧拉-伯努利梁理论和压电本构方程建立压电薄膜梁驱动模型。在此基础上,考虑到压电薄膜位置和长度以及负载形式和作用位置的不同,推导出一般情况下的压电薄膜驱动器的输出模型。此外,结合梁自由振动模型,得到了压电薄膜驱动器的动态响应。本文引入柔性铰链结构设计了一种新型三维压电薄膜驱动微定位平台,并且提出了一种压电薄膜驱动微定位平台整体输出位移的理论建模方法。根据弹性梁的柔度矩阵方法,推导得到微定位平台的整体柔度模型;然后,综合压电薄膜梁模型和平台柔度模型得到平台的整体输出模型。同时,将多维压电薄膜驱动微定位平台系统等效为多自由度弹簧-质量系统,然后根据完整系统的拉格朗日第二类方程,建立了压电薄膜驱动微定位平台的动力学模型。为了验证上述压电薄膜驱动器和微定位平台的理论分析模型,本文通过有限元方法分析了压电薄膜驱动器和压电薄膜梁驱动微定位平台特性,并且将有限元仿真仿真结果和理论分析结果进行了对比。对比结果表明了所提出的压电薄膜驱动器和压电薄膜驱动微定位平台的理论建模方法的有效性。因此,该建模方法可为基于压电薄膜驱动的多维微定位平台的研究提供指导。
【图文】：

压电薄膜,驱动原理,驱动器,横向

国内外学者对压电薄膜驱动器的设计及其驱动机理进行了深入研究。逡逑美国Ｋｅｎｎ邋Ｒ．邋Ｏｌｄｈａｍ设计了一种压电薄膜横向驱动器１２７１，采用组合压电单晶逡逑梁结构和柔性铰链结构，其结构如图１邋（ａ）所示。图１邋（ｂ）表示压电薄膜横向驱逡逑动器通过两端压电单晶梁结构的对称变形来产生横向位移输出。压电薄膜横向驱逡逑动器几何尺寸的宽度为ｌ00）ｉｍ，长度为５００｜ｉｍ时，，在２０Ｖ电压作用下可输出５）ｉｍ逡逑位移；输出ｌｐｍ位移时可同时输出７ｍＮ的力。逡逑Ｓｆ＇－ｌｆ－逡逑气—７—逡逑（ａ）压电薄膜横向驱动器结构示意图逦（ｂ）压电薄膜横向驱动器驱动原理逡逑图１－１压电薄膜横向驱动器结构和驱动原理图逡逑２逡逑

曲线,压电薄膜,不同边界条件,双晶

图１－２不同边界条件下双晶压电薄膜驱动梁变形逡逑曰本神户大学Ｋａｎｎｏ邋Ｉ基于压电薄膜梁输出特性研究压电薄膜材料的横向压逡逑电特性［３１＿３２］，提出有效横向压电系数的数学表达式。图１－３所示为测量有效横向压逡逑电系数压电薄膜梁样品和实验装置。实验测量１６组不同宽度、厚度Ｐｂ（Ｚｒ，邋Ｔｉ）０３逡逑（ＰＺＴ）压电薄膜的有效压电系数范围为６．５？１４邋Ｃ／ｍ２。与理论分析结果相比，在不考逡逑虑衬底晶向的情况下横向压电系数误差小于１％。逡逑铂村底逡逑灥’逡逑乫＿丨广逡逑图１－３测量有效横向压电系数压电薄膜梁样品和实验装置逡逑王秦明和Ｃｒｏｓｓ邋ＬＥ研宄由一个非压电弹性中心层和上下两个压电层组成的三逡逑层对称压电晶体梁特性［３３］，并通过热动力学平衡推导了三层压电晶体梁的本构方逡逑程。分析了三层压电晶体梁在不同边界条件下的输出特性和机电特性。逡逑大连理工大学李东明和孙宝元等人研宄压电晶片驱动器特性，提出双晶压电逡逑驱动器的驱动模型［３４］。计算分析几何尺寸和材料特性对输出位移的影响。实验测逡逑得压电薄膜驱动器在升压和降压过程中存在明显的迟滞，线性的理论分析曲线基逡逑３逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH703

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