【摘要】：微/納定位技術(shù)是微/納米制造、微觀成像、納米壓印、硬盤高密度數(shù)據(jù)存儲及光刻等諸多行業(yè)的核心共性技術(shù),但隨著相關精密工程及技術(shù)領域的飛速發(fā)展,對微納定位系統(tǒng)的性能及結(jié)構(gòu)尺寸等提出了苛刻要求。特別是在內(nèi)窺鏡光學相干斷層掃描、高密度光存儲等新興應用場合,微定位平臺的緊湊結(jié)構(gòu)、多自由度運動與高響應速度的設計成為關鍵。傳統(tǒng)壓電疊堆驅(qū)動器,因其尺寸的限制很難滿足相應領域的應用需求;而壓電薄膜驅(qū)動器作為驅(qū)動元件,具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量密度高、可靠性高、分辨率高和頻響高的優(yōu)點,在相關領域的研究中得到了越來越廣泛的研究與重視。本文結(jié)合柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)與壓電薄膜驅(qū)動器,設計了一種新型三維壓電薄膜驅(qū)動微定位平臺,其通過彈性變形實現(xiàn)多維運動定位,具有結(jié)構(gòu)緊湊、無摩擦、無沖擊等優(yōu)點。文中針對壓電薄膜驅(qū)動器和壓電薄膜驅(qū)動微定位平臺進行了設計、建模和仿真研究,具體研究內(nèi)容如下:基于壓電材料特殊的機電耦合特性,研究了壓電薄膜驅(qū)動器的驅(qū)動機理,并完善了壓電薄膜驅(qū)動器的理論分析模型。根據(jù)力平衡條件下的歐拉-伯努利梁理論和壓電本構(gòu)方程建立壓電薄膜梁驅(qū)動模型。在此基礎上,考慮到壓電薄膜位置和長度以及負載形式和作用位置的不同,推導出一般情況下的壓電薄膜驅(qū)動器的輸出模型。此外,結(jié)合梁自由振動模型,得到了壓電薄膜驅(qū)動器的動態(tài)響應。本文引入柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)設計了一種新型三維壓電薄膜驅(qū)動微定位平臺,并且提出了一種壓電薄膜驅(qū)動微定位平臺整體輸出位移的理論建模方法。根據(jù)彈性梁的柔度矩陣方法,推導得到微定位平臺的整體柔度模型;然后,綜合壓電薄膜梁模型和平臺柔度模型得到平臺的整體輸出模型。同時,將多維壓電薄膜驅(qū)動微定位平臺系統(tǒng)等效為多自由度彈簧-質(zhì)量系統(tǒng),然后根據(jù)完整系統(tǒng)的拉格朗日第二類方程,建立了壓電薄膜驅(qū)動微定位平臺的動力學模型。為了驗證上述壓電薄膜驅(qū)動器和微定位平臺的理論分析模型,本文通過有限元方法分析了壓電薄膜驅(qū)動器和壓電薄膜梁驅(qū)動微定位平臺特性,并且將有限元仿真仿真結(jié)果和理論分析結(jié)果進行了對比。對比結(jié)果表明了所提出的壓電薄膜驅(qū)動器和壓電薄膜驅(qū)動微定位平臺的理論建模方法的有效性。因此,該建模方法可為基于壓電薄膜驅(qū)動的多維微定位平臺的研究提供指導。
【圖文】：

國內(nèi)外學者對壓電薄膜驅(qū)動器的設計及其驅(qū)動機理進行了深入研究。逡逑美國Ｋｅｎｎ邋Ｒ．邋Ｏｌｄｈａｍ設計了一種壓電薄膜橫向驅(qū)動器１２７１，采用組合壓電單晶逡逑梁結(jié)構(gòu)和柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖１邋（ａ）所示。圖１邋（ｂ）表示壓電薄膜橫向驅(qū)逡逑動器通過兩端壓電單晶梁結(jié)構(gòu)的對稱變形來產(chǎn)生橫向位移輸出。壓電薄膜橫向驅(qū)逡逑動器幾何尺寸的寬度為ｌ00）ｉｍ，長度為５００｜ｉｍ時，，在２０Ｖ電壓作用下可輸出５）ｉｍ逡逑位移；輸出ｌｐｍ位移時可同時輸出７ｍＮ的力。逡逑Ｓｆ＇－ｌｆ－逡逑氣—７—逡逑（ａ）壓電薄膜橫向驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖邐（ｂ）壓電薄膜橫向驅(qū)動器驅(qū)動原理逡逑圖１－１壓電薄膜橫向驅(qū)動器結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理圖逡逑２逡逑

圖１－２不同邊界條件下雙晶壓電薄膜驅(qū)動梁變形逡逑曰本神戶大學Ｋａｎｎｏ邋Ｉ基于壓電薄膜梁輸出特性研究壓電薄膜材料的橫向壓逡逑電特性［３１＿３２］，提出有效橫向壓電系數(shù)的數(shù)學表達式。圖１－３所示為測量有效橫向壓逡逑電系數(shù)壓電薄膜梁樣品和實驗裝置。實驗測量１６組不同寬度、厚度Ｐｂ（Ｚｒ，邋Ｔｉ）０３逡逑（ＰＺＴ）壓電薄膜的有效壓電系數(shù)范圍為６．５？１４邋Ｃ／ｍ２。與理論分析結(jié)果相比，在不考逡逑慮襯底晶向的情況下橫向壓電系數(shù)誤差小于１％。逡逑鉑村底逡逑灥’逡逑乫＿丨廣逡逑圖１－３測量有效橫向壓電系數(shù)壓電薄膜梁樣品和實驗裝置逡逑王秦明和Ｃｒｏｓｓ邋ＬＥ研宄由一個非壓電彈性中心層和上下兩個壓電層組成的三逡逑層對稱壓電晶體梁特性［３３］，并通過熱動力學平衡推導了三層壓電晶體梁的本構(gòu)方逡逑程。分析了三層壓電晶體梁在不同邊界條件下的輸出特性和機電特性。逡逑大連理工大學李東明和孫寶元等人研宄壓電晶片驅(qū)動器特性，提出雙晶壓電逡逑驅(qū)動器的驅(qū)動模型［３４］。計算分析幾何尺寸和材料特性對輸出位移的影響。實驗測逡逑得壓電薄膜驅(qū)動器在升壓和降壓過程中存在明顯的遲滯，線性的理論分析曲線基逡逑３逡逑
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH703

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本文編號：2671134