压电晶片驱动的新型柔性微动平台热-压电-力耦合分析与控制

发布时间：2020-11-09 12:52

　　 随着微机电系统和纳米科学技术的飞速发展,作为微纳米运动平台或系统主要组成部分的微智能驱动器、柔顺机构、超/高精度传感器以及高性能控制器,在行程、功能、精度、运动特性及智能化等方面都已得到了极大提升,从而成就了其在高端装备制造、生物医学、光学通讯、航空航天等高科技产业以及交叉学科前沿领域的战略性主导地位。然而,由于以往所采用叠堆型压电陶瓷驱动器或音圈电机与柔性机构构成的微纳米运动平台或系统,多存在整体结构尺寸大、加工及部件成本高、行程小、装配误差大等缺点,因而极大地限制了其在超/高精密加工、超分辨显微生物医学成像、微/纳米操作、空间光通讯、遥感与测量等更具苛刻精度、性能要求技术与装备领域的发展和应用。针对以上诸多限制,本文提出并设计了一种由压电(陶瓷)晶片驱动器驱动的三自由度一体化全柔性薄板型微动平台(简称三自由度柔性压电晶片微动平台),以满足多学科多领域前沿科技对微纳机电系统提出的更小尺寸、更低成本、更大行程等要求。尤其,为传统柔顺微动平台、微/纳操作台以及快速转向反射镜等微纳米运动平台或系统在精密工程领域中的诸多应用限制场景,提供了可行有效的方案。并重点研究了压电晶片驱动器如何通过与能量(如电能和热能)之间的复杂、精准的耦合作用实现柔性压电微动平台优良静/动态特性的科学规律。具体主要研究内容如下:首先,同时考虑了电场和温度场变化引起的热-压电(参数)耦合对单/双层压电晶片驱动器外部弯曲特性的影响,以及微驱动器弯曲时横向变形对内部应力应变分布和中性面位置的影响,进而基于欧拉伯努利梁理论,分别建立了其在热/电载荷及热电载荷复合作用下的静力学挠度输出改进模型和热-压电耦合挠度输出改进模型,并进行了仿真和实验验证。此外,研究了结构尺寸变化对单/双层压电晶片驱动器输出特性的影响,并求得了单层压电晶片驱动器的等效惯性矩,确定了其最大端部挠度输出时的最优厚度比,从而为压电晶片驱动器的优化设计和分析提供了理论支持和依据。其次,提出了一种由压电晶片驱动器驱动且具有更小尺寸、更低成本、更大行程等优点的三自由度一体化全柔性薄板型微动平台,并基于柔度矩阵法,建立了包含其各组成单元结构尺寸及分布位置尺寸参数的热-压电-力耦合静力学输出模型。同时,采用2个四象限位置敏感探测器实现了该柔性压电晶片微动平台的三自由度位姿输出量检测,并分别进行了其在热/电载荷及热电载荷复合作用下的仿真和实验,验证了所建立的热-压电-力耦合静力学输出模型的有效性和准确性。此外,研究了结构尺寸变化对柔性压电晶片微动平台输出行程和固有频率的影响,并确定了该微动平台中心点在限制电压下的三自由度运动范围,从而为此类一体化全柔性薄板型微动平台的设计和优化提供了理论依据和指导。再次,分析了三自由度柔性压电晶片微动平台在微纳米运动过程中的内部热-压电-力耦合影响,确定了其内部各压电晶片驱动器等效形变量与微动平台位姿输出量之间的转换关系,并将该具有分布参数特点的柔性压电晶片微动平台等效为三自由度弹簧-质量-阻尼集中参数系统模型,进而基于拉格朗日第二类方程,建立了该三自由度柔性压电晶片微动平台在热电复合场下的热-压电-力耦合动力学模型。同样,通过仿真和实验验证了所建立动力学模型的有效性和准确性,从而为基于系统数学模型的反馈控制方法研究提供了可用的理论模型。最后,基于已建立的单层压电晶片驱动器热-压电耦合静力学挠度输出改进模型,求得了可将热载荷转化为等效电载荷的热-电转换系数,补偿了因温度变化引起的柔性压电微动平台内部各压电晶片驱动器挠度输出误差,并基于已建立的柔性压电晶片微动平台热-压电-力耦合动力学模型,引入了基于扩张状态观测器的滑模控制方法,最终实现了该三自由度柔性压电晶片微动平台在热电复合场下的高精密位姿解耦伺服控制。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TH703
【部分图文】：

?山东大学博士学位论文???条件下，压电陶瓷材料将失去其压电效应或逆压电效应．？①受到与极化方向相反??的强电场；②受到较大机械压力或载荷，导致偶极子队列发生畸变；③压电材料??温度高于居里温度。因此，在大多数实际应用中，压电陶瓷材料的工作温度应保??持在其居里温度的１／２以下，从而避免高温对压电陶瓷材料性能产生永久性损伤。??２．极化??压电陶瓷内部结构一般为近似立方体的四角形晶系结构。在压电陶瓷超过居??里温度时，材料将会呈现对称立方晶体结构，如图１－１?（ａ）。因为立方体正电荷??和负电荷的重心重合，所以微观电偶极子为零，故宏观电偶极子也为零；当压电??陶瓷低于居里温度时，材料晶体的四角形晶体结构发生变形，如图Ｍ?（ｂ），从??而导致微观电偶极子发生微观极化，但宏观电偶极子仍然为零。??？?＊Ａ２＋二价重金属离子??？〇２－氧离子??４?，…四价重金属离子??、去々＇十，?＼＼?：／／??（ａ）居里温度以上立方晶格（ｂ）居里温度以下立方晶格??图］－１压电陶瓷单元晶格??人工极化处理：在压电陶瓷两极上加载足够大的直流电场（例如２０？３０?ｋＶ／ｃｍ??直流电场），且保持恰当的时间和温度，迫使其内部电畴发生转向，或迫使其自??发极化并作定向排列，如图１－２?（ａ）和图１－２?（ｂ）。当去除外部电场后，压电陶??瓷内部各电畴的自发极化方向将基本保持原外部电场方向，且内部仍将存在较强??的剩余极化强度，并使得压电陶瓷两极产生束缚电荷，进而在其两电极表面吸附??自由电荷，如图１－２?（ｃ）。??＋：＾?丨ＨＨ??ＩＩＩＩ??１＾１?Ｉｎｉｎ?１??（ａ）极化前?（ｂ）极化中?（ｃ）极ｌｉ：后??

?第Ｉ章绪论???同作用，并且剩余极化强度和迟滞特性都依赖于压电陶瓷材料历史状态和外部电??场的变化趋势。??３．正／逆压电效应??（１）正压电效应??当在压电材料两端施加一定外部压力时，材料内部的电偶极矩因受压而变短，??进而为抵抗该形变，将会在其相对表面产生等量的正负电荷，来保持原状。这种??由于压电材料形变而产生电极化的现象称为正压电效应，如图１－３?（ａ）。??（２）逆压电效应??当在压电材料极化方向上施加外电场时，压电材料产生机械变形，而当外电??场去除后，该变形又随之消失的现象称为逆压电效应，如图１－３?（ｂ）。??ｐ?Ｑ）?ｐ?（３??ｉ、一＇?＋?Ｉ?＊?Ｕ?＋??Ｆ＾—?????（ａ）正压电效应?（ｂ）逆压电效应??图１－３压电材料的正／逆压电效应原理??当压电陶瓷材料外电场方向与极化方向相同时，将发生横向收缩和纵向伸长；??当压电陶瓷材料外电场方向与极化方向相反时，将发生横向伸长和纵向收缩。??１．４压电微驱动器及微动平台??１．４．１压电微驱动器的分类??压电微驱动器是一类利用压电材料在电场作用下的逆压电效应产生力或位??移输出的微驱动器。值得注意的是：压电微驱动器不仅可提供较大的输出力或输??出位移，而且具有响应速度快、位移分辨率高、线性度好、抗干扰能力强和易于??控制等优点，尤其适用于对输出力或位移输出较高的压电器件、微位移定位系统??等领域。根据其结构型式可分为：叠堆型压电驱动器、薄片型压电弯曲驱动器、??管型压电驱动器、Ｒａｉｎｂｏｗ驱动器、弯张驱动器和功能梯度驱动器［｜５］。??５??

?山东大学博士学位论文???１．叠堆型压电驱动器??叠堆型压电驱动器是一类采用压电材料片物理串联、电学串联或并联连接且??在电场作用下可将电能转化为机械力或位移输出的微驱动器。虽然具有输出位移??小的缺点，但因其驱动力大、响应速度快、易于控制等优点，已在众多压电器件??及微动平台或系统中得到了广泛应用。??曝＂Ｕ??（ａ）叠堆型压电陶瓷结构及原理?（ｂ）叠堆型压电陶瓷样品??图１－４叠堆型压电陶瓷??２．薄片型压电弯曲驱动器??薄片型压电弯曲驱动器主要是一类利用柔性压电材料在电场作用下的横向??弯曲来实现机械位移或力输出的微驱动器，具有输出位移大、均一性好、压电性??能稳定、价格低廉等优点。按其结构形式主要可分为：单层压电晶片驱动器、双??层压电晶片驱动器、Ｔｈｕｎｄｅｒ型驱动器、ＬＩＰＣＡ型驱动器等。??（１）单层压电晶片驱动器??单层压电晶片驱动器是由一层压电材料（如压电陶瓷晶片）和另一层非压电??材料（如金属，硅等）通过粘结剂（如导电银胶）黏贴而成。在外加电压下，压??电层将发生纵向收缩或伸长，但由于非压电层的束缚，能量无法释放，从而产生??向上或向下的横向弯曲。此外，不同单晶压电驱动器的压电层和基体层长度或面??积不一定相等。??压电层牛户?／？?夕．，??（ａ）单层压电晶片驱动器?（ｂ）单层压电晶片驱动器样品??图丨－５单层压电（陶瓷）晶片驱动器??（２）双层压电晶片驱动器??双层压电晶片驱动器是由两层压电材料（如压电陶瓷晶片）或辅加一层非压??６??
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本文编号：2876460