隨著微機(jī)電系統(tǒng)和納米科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,作為微納米運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或系統(tǒng)主要組成部分的微智能驅(qū)動(dòng)器、柔順機(jī)構(gòu)、超/高精度傳感器以及高性能控制器,在行程、功能、精度、運(yùn)動(dòng)特性及智能化等方面都已得到了極大提升,從而成就了其在高端裝備制造、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)通訊、航空航天等高科技產(chǎn)業(yè)以及交叉學(xué)科前沿領(lǐng)域的戰(zhàn)略性主導(dǎo)地位。然而,由于以往所采用疊堆型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器或音圈電機(jī)與柔性機(jī)構(gòu)構(gòu)成的微納米運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或系統(tǒng),多存在整體結(jié)構(gòu)尺寸大、加工及部件成本高、行程小、裝配誤差大等缺點(diǎn),因而極大地限制了其在超/高精密加工、超分辨顯微生物醫(yī)學(xué)成像、微/納米操作、空間光通訊、遙感與測(cè)量等更具苛刻精度、性能要求技術(shù)與裝備領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。針對(duì)以上諸多限制,本文提出并設(shè)計(jì)了一種由壓電(陶瓷)晶片驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的三自由度一體化全柔性薄板型微動(dòng)平臺(tái)(簡(jiǎn)稱(chēng)三自由度柔性壓電晶片微動(dòng)平臺(tái)),以滿足多學(xué)科多領(lǐng)域前沿科技對(duì)微納機(jī)電系統(tǒng)提出的更小尺寸、更低成本、更大行程等要求。尤其,為傳統(tǒng)柔順微動(dòng)平臺(tái)、微/納操作臺(tái)以及快速轉(zhuǎn)向反射鏡等微納米運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或系統(tǒng)在精密工程領(lǐng)域中的諸多應(yīng)用限制場(chǎng)景,提供了可行有效的方案。并重點(diǎn)研究了壓電晶片驅(qū)動(dòng)器如何通過(guò)與能量(如電能和熱能)之間的復(fù)雜、精準(zhǔn)的耦合作用實(shí)現(xiàn)柔性壓電微動(dòng)平臺(tái)優(yōu)良靜/動(dòng)態(tài)特性的科學(xué)規(guī)律。具體主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,同時(shí)考慮了電場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化引起的熱-壓電(參數(shù))耦合對(duì)單/雙層壓電晶片驅(qū)動(dòng)器外部彎曲特性的影響,以及微驅(qū)動(dòng)器彎曲時(shí)橫向變形對(duì)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布和中性面位置的影響,進(jìn)而基于歐拉伯努利梁理論,分別建立了其在熱/電載荷及熱電載荷復(fù)合作用下的靜力學(xué)撓度輸出改進(jìn)模型和熱-壓電耦合撓度輸出改進(jìn)模型,并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外,研究了結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)單/雙層壓電晶片驅(qū)動(dòng)器輸出特性的影響,并求得了單層壓電晶片驅(qū)動(dòng)器的等效慣性矩,確定了其最大端部撓度輸出時(shí)的最優(yōu)厚度比,從而為壓電晶片驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析提供了理論支持和依據(jù)。其次,提出了一種由壓電晶片驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)且具有更小尺寸、更低成本、更大行程等優(yōu)點(diǎn)的三自由度一體化全柔性薄板型微動(dòng)平臺(tái),并基于柔度矩陣法,建立了包含其各組成單元結(jié)構(gòu)尺寸及分布位置尺寸參數(shù)的熱-壓電-力耦合靜力學(xué)輸出模型。同時(shí),采用2個(gè)四象限位置敏感探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了該柔性壓電晶片微動(dòng)平臺(tái)的三自由度位姿輸出量檢測(cè),并分別進(jìn)行了其在熱/電載荷及熱電載荷復(fù)合作用下的仿真和實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所建立的熱-壓電-力耦合靜力學(xué)輸出模型的有效性和準(zhǔn)確性。此外,研究了結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)柔性壓電晶片微動(dòng)平臺(tái)輸出行程和固有頻率的影響,并確定了該微動(dòng)平臺(tái)中心點(diǎn)在限制電壓下的三自由度運(yùn)動(dòng)范圍,從而為此類(lèi)一體化全柔性薄板型微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。再次,分析了三自由度柔性壓電晶片微動(dòng)平臺(tái)在微納米運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的內(nèi)部熱-壓電-力耦合影響,確定了其內(nèi)部各壓電晶片驅(qū)動(dòng)器等效形變量與微動(dòng)平臺(tái)位姿輸出量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,并將該具有分布參數(shù)特點(diǎn)的柔性壓電晶片微動(dòng)平臺(tái)等效為三自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼集中參數(shù)系統(tǒng)模型,進(jìn)而基于拉格朗日第二類(lèi)方程,建立了該三自由度柔性壓電晶片微動(dòng)平臺(tái)在熱電復(fù)合場(chǎng)下的熱-壓電-力耦合動(dòng)力學(xué)模型。同樣,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建立動(dòng)力學(xué)模型的有效性和準(zhǔn)確性,從而為基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的反饋控制方法研究提供了可用的理論模型。最后,基于已建立的單層壓電晶片驅(qū)動(dòng)器熱-壓電耦合靜力學(xué)撓度輸出改進(jìn)模型,求得了可將熱載荷轉(zhuǎn)化為等效電載荷的熱-電轉(zhuǎn)換系數(shù),補(bǔ)償了因溫度變化引起的柔性壓電微動(dòng)平臺(tái)內(nèi)部各壓電晶片驅(qū)動(dòng)器撓度輸出誤差,并基于已建立的柔性壓電晶片微動(dòng)平臺(tái)熱-壓電-力耦合動(dòng)力學(xué)模型,引入了基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的滑�？刂品椒�,最終實(shí)現(xiàn)了該三自由度柔性壓電晶片微動(dòng)平臺(tái)在熱電復(fù)合場(chǎng)下的高精密位姿解耦伺服控制。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類(lèi)】：TH703
【部分圖文】：

?山東大學(xué)博士學(xué)位論文???條件下，壓電陶瓷材料將失去其壓電效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)．？①受到與極化方向相反??的強(qiáng)電場(chǎng)；②受到較大機(jī)械壓力或載荷，導(dǎo)致偶極子隊(duì)列發(fā)生畸變；③壓電材料??溫度高于居里溫度。因此，在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，壓電陶瓷材料的工作溫度應(yīng)保??持在其居里溫度的１／２以下，從而避免高溫對(duì)壓電陶瓷材料性能產(chǎn)生永久性損傷。??２．極化??壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般為近似立方體的四角形晶系結(jié)構(gòu)。在壓電陶瓷超過(guò)居??里溫度時(shí)，材料將會(huì)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)立方晶體結(jié)構(gòu)，如圖１－１?（ａ）。因?yàn)榱⒎襟w正電荷??和負(fù)電荷的重心重合，所以微觀電偶極子為零，故宏觀電偶極子也為零；當(dāng)壓電??陶瓷低于居里溫度時(shí)，材料晶體的四角形晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，如圖Ｍ?（ｂ），從??而導(dǎo)致微觀電偶極子發(fā)生微觀極化，但宏觀電偶極子仍然為零。??？?＊Ａ２＋二價(jià)重金屬離子??？〇２－氧離子??４?，…四價(jià)重金屬離子??、去々＇十，?＼＼?：／／??（ａ）居里溫度以上立方晶格（ｂ）居里溫度以下立方晶格??圖］－１壓電陶瓷單元晶格??人工極化處理：在壓電陶瓷兩極上加載足夠大的直流電場(chǎng)（例如２０？３０?ｋＶ／ｃｍ??直流電場(chǎng)），且保持恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間和溫度，迫使其內(nèi)部電疇發(fā)生轉(zhuǎn)向，或迫使其自??發(fā)極化并作定向排列，如圖１－２?（ａ）和圖１－２?（ｂ）。當(dāng)去除外部電場(chǎng)后，壓電陶??瓷內(nèi)部各電疇的自發(fā)極化方向?qū)⒒颈３衷獠侩妶?chǎng)方向，且內(nèi)部仍將存在較強(qiáng)??的剩余極化強(qiáng)度，并使得壓電陶瓷兩極產(chǎn)生束縛電荷，進(jìn)而在其兩電極表面吸附??自由電荷，如圖１－２?（ｃ）。??＋：＾?丨ＨＨ??ＩＩＩＩ??１＾１?Ｉｎｉｎ?１??（ａ）極化前?（ｂ）極化中?（ｃ）極ｌｉ：后??

?第Ｉ章緒論???同作用，并且剩余極化強(qiáng)度和遲滯特性都依賴于壓電陶瓷材料歷史狀態(tài)和外部電??場(chǎng)的變化趨勢(shì)。??３．正／逆壓電效應(yīng)??（１）正壓電效應(yīng)??當(dāng)在壓電材料兩端施加一定外部壓力時(shí)，材料內(nèi)部的電偶極矩因受壓而變短，??進(jìn)而為抵抗該形變，將會(huì)在其相對(duì)表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷，來(lái)保持原狀。這種??由于壓電材料形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)，如圖１－３?（ａ）。??（２）逆壓電效應(yīng)??當(dāng)在壓電材料極化方向上施加外電場(chǎng)時(shí)，壓電材料產(chǎn)生機(jī)械變形，而當(dāng)外電??場(chǎng)去除后，該變形又隨之消失的現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，如圖１－３?（ｂ）。??ｐ?Ｑ）?ｐ?（３??ｉ、一＇?＋?Ｉ?＊?Ｕ?＋??Ｆ＾—?????（ａ）正壓電效應(yīng)?（ｂ）逆壓電效應(yīng)??圖１－３壓電材料的正／逆壓電效應(yīng)原理??當(dāng)壓電陶瓷材料外電場(chǎng)方向與極化方向相同時(shí)，將發(fā)生橫向收縮和縱向伸長(zhǎng)；??當(dāng)壓電陶瓷材料外電場(chǎng)方向與極化方向相反時(shí)，將發(fā)生橫向伸長(zhǎng)和縱向收縮。??１．４壓電微驅(qū)動(dòng)器及微動(dòng)平臺(tái)??１．４．１壓電微驅(qū)動(dòng)器的分類(lèi)??壓電微驅(qū)動(dòng)器是一類(lèi)利用壓電材料在電場(chǎng)作用下的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生力或位??移輸出的微驅(qū)動(dòng)器。值得注意的是：壓電微驅(qū)動(dòng)器不僅可提供較大的輸出力或輸??出位移，而且具有響應(yīng)速度快、位移分辨率高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)和易于??控制等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于對(duì)輸出力或位移輸出較高的壓電器件、微位移定位系統(tǒng)??等領(lǐng)域。根據(jù)其結(jié)構(gòu)型式可分為：疊堆型壓電驅(qū)動(dòng)器、薄片型壓電彎曲驅(qū)動(dòng)器、??管型壓電驅(qū)動(dòng)器、Ｒａｉｎｂｏｗ驅(qū)動(dòng)器、彎張驅(qū)動(dòng)器和功能梯度驅(qū)動(dòng)器［｜５］。??５??

?山東大學(xué)博士學(xué)位論文???１．疊堆型壓電驅(qū)動(dòng)器??疊堆型壓電驅(qū)動(dòng)器是一類(lèi)采用壓電材料片物理串聯(lián)、電學(xué)串聯(lián)或并聯(lián)連接且??在電場(chǎng)作用下可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械力或位移輸出的微驅(qū)動(dòng)器。雖然具有輸出位移??小的缺點(diǎn)，但因其驅(qū)動(dòng)力大、響應(yīng)速度快、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，已在眾多壓電器件??及微動(dòng)平臺(tái)或系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。??曝＂Ｕ??（ａ）疊堆型壓電陶瓷結(jié)構(gòu)及原理?（ｂ）疊堆型壓電陶瓷樣品??圖１－４疊堆型壓電陶瓷??２．薄片型壓電彎曲驅(qū)動(dòng)器??薄片型壓電彎曲驅(qū)動(dòng)器主要是一類(lèi)利用柔性壓電材料在電場(chǎng)作用下的橫向??彎曲來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械位移或力輸出的微驅(qū)動(dòng)器，具有輸出位移大、均一性好、壓電性??能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。按其結(jié)構(gòu)形式主要可分為：?jiǎn)螌訅弘娋?qū)動(dòng)器、雙??層壓電晶片驅(qū)動(dòng)器、Ｔｈｕｎｄｅｒ型驅(qū)動(dòng)器、ＬＩＰＣＡ型驅(qū)動(dòng)器等。??（１）單層壓電晶片驅(qū)動(dòng)器??單層壓電晶片驅(qū)動(dòng)器是由一層壓電材料（如壓電陶瓷晶片）和另一層非壓電??材料（如金屬，硅等）通過(guò)粘結(jié)劑（如導(dǎo)電銀膠）黏貼而成。在外加電壓下，壓??電層將發(fā)生縱向收縮或伸長(zhǎng)，但由于非壓電層的束縛，能量無(wú)法釋放，從而產(chǎn)生??向上或向下的橫向彎曲。此外，不同單晶壓電驅(qū)動(dòng)器的壓電層和基體層長(zhǎng)度或面??積不一定相等。??壓電層牛戶?／？?夕．，??（ａ）單層壓電晶片驅(qū)動(dòng)器?（ｂ）單層壓電晶片驅(qū)動(dòng)器樣品??圖丨－５單層壓電（陶瓷）晶片驅(qū)動(dòng)器??（２）雙層壓電晶片驅(qū)動(dòng)器??雙層壓電晶片驅(qū)動(dòng)器是由兩層壓電材料（如壓電陶瓷晶片）或輔加一層非壓??６??
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本文編號(hào)：2876460