發(fā)布時間：2017-09-04 06:19

  本文關(guān)鍵詞：光束偏轉(zhuǎn)反鐵電厚膜微驅(qū)動構(gòu)件及控制方法研究

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【摘要】：針對國內(nèi)外激光通信光束偏轉(zhuǎn)微驅(qū)動構(gòu)件所存在的體積大、功耗高、遲滯大、響應(yīng)速度慢、控制精度低及控制方法復(fù)雜的技術(shù)瓶頸問題,開展了基于反鐵電厚膜材料優(yōu)異特性的激光光束偏轉(zhuǎn)微驅(qū)動構(gòu)件及控制方法的基礎(chǔ)研究。利用硅基反鐵電材料的相變應(yīng)變效應(yīng)、相變前近線性效應(yīng)和快速開關(guān)特性,實現(xiàn)前沿功能材料與微納器件的兼容制造,提出激光通信系統(tǒng)光束偏轉(zhuǎn)構(gòu)件集驅(qū)動/光偏轉(zhuǎn)功能一體化設(shè)計及其控制方法研究。論文從材料科學與MEMS光器件應(yīng)用相銜接的角度出發(fā),提出緩沖層晶格匹配設(shè)計和多步退火界面應(yīng)力釋放方法,實現(xiàn)大面積(Pb,La)(Zr,Ti)O3(簡稱PLZT)硅微反鐵電功能厚膜異質(zhì)集成制造;結(jié)合微納兼容制造關(guān)鍵技術(shù),研制具有小尺寸、響應(yīng)速度快、遲滯小和控制精度高的PLZT反鐵電厚膜微鏡驅(qū)動構(gòu)件,揭示其在電場作用下的結(jié)構(gòu)相變調(diào)控規(guī)律及相應(yīng)的相變應(yīng)變效應(yīng)影響機制;將PLZT反鐵電厚膜微鏡驅(qū)動構(gòu)件作為控制對象,設(shè)計可行的控制方案并建立閉環(huán)模型進行有效性的成功驗證。這些都為微小型、小滯后、高精度控制激光通信系統(tǒng)光束偏轉(zhuǎn)微驅(qū)動構(gòu)件的設(shè)計和開發(fā)提供理論依據(jù)和實用構(gòu)件支持。主要研究內(nèi)容和成果陳述如下:(1)研究溶膠-凝膠工藝誘導(dǎo)生長與硅襯底晶格高度匹配的(100)擇優(yōu)取向鉛基鐵電/反鐵電功能介質(zhì)厚膜(3μm),提出多步退火晶粒尺度控制的界面應(yīng)力釋放技術(shù),實現(xiàn)大面積均勻致密(表面粗糙度3nm)功能介質(zhì)厚膜的晶圓級異質(zhì)集成;揭示在電場作用下的相變調(diào)控規(guī)律,分析電場調(diào)控下硅基反鐵電厚膜材料的相變行為特性和場致應(yīng)變效應(yīng)。(2)研究干法刻蝕、濕法刻蝕和反濺射復(fù)合工藝技術(shù)實現(xiàn)了電介質(zhì)厚膜與電極層的圖形化加工制造,結(jié)合硅微MEMS加工技術(shù),解決了基于功能轉(zhuǎn)換介質(zhì)厚膜的硅微基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)異質(zhì)兼容制造出體積小、響應(yīng)時間短、控制精度高的PLZT反鐵電厚膜微鏡構(gòu)件。(3)測試分析微鏡驅(qū)動狀態(tài)(如諧振頻率、撓度和偏轉(zhuǎn)角度等)與其設(shè)計結(jié)構(gòu)、激勵電場信號、反鐵電厚膜致動單元分布狀態(tài)等因素之間的關(guān)系,揭示電場調(diào)控反鐵電厚膜硅微鏡構(gòu)件應(yīng)變規(guī)律、驅(qū)動能力、偏轉(zhuǎn)角度及頻響之間的依賴關(guān)系等。(4)根據(jù)PLZT微鏡的非線性遲滯特性,建立了前饋逆補償和復(fù)合控制方案。實驗結(jié)果表明,基于PID反饋控制與Preisach逆補償?shù)那梆佅嘟Y(jié)合的復(fù)合控制具有線性度更好的輸入輸出關(guān)系,能夠更好的滿足PLZT微鏡的精跟蹤控制要求。綜上所述,從理論和實現(xiàn)角度均驗證了論文所提出的光束偏轉(zhuǎn)微驅(qū)動構(gòu)件,具備微型化(μm3級)、響應(yīng)速度快(百納秒級)、功耗低(十伏級)和控制精度高(μrad級)等高性能指標。
【關(guān)鍵詞】：激光通信 光束偏轉(zhuǎn) 微鏡驅(qū)動構(gòu)件 PLZT反鐵電厚膜 場致相變應(yīng)變效應(yīng) 遲滯非線性 Preisach模型 驅(qū)動/光偏轉(zhuǎn)功能一體化
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 1. 緒論12-26
• 1.1 激光通信概述12-13
• 1.2 光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)的發(fā)展概況13-16
• 1.2.1 機械偏轉(zhuǎn)技術(shù)13-14
• 1.2.2 聲光偏轉(zhuǎn)技術(shù)14-15
• 1.2.3 液晶偏轉(zhuǎn)技術(shù)15-16
• 1.3 光束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動方式16-23
• 1.3.1 機械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)中驅(qū)動方式的特點17-20
• 1.3.2 非機械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)的特點20-23
• 1.4 研究目標和內(nèi)容23-26
• 1.4.1 研究背景23-24
• 1.4.2 研究內(nèi)容及方法24-26
• 2. PLZT反鐵電厚膜驅(qū)動構(gòu)件微鏡力學分析及其參數(shù)優(yōu)化26-40
• 2.1 PLZT微鏡的力學方程26-30
• 2.1.1 材料本構(gòu)方程26-27
• 2.1.2 自由懸臂梁的力學分析27-29
• 2.1.3 受外力作用的微鏡懸臂梁力學分析29-30
• 2.2 PLZT微鏡結(jié)構(gòu)模態(tài)分析30-34
• 2.2.1 微鏡主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)30-31
• 2.2.2 微鏡的有限元建模31
• 2.2.3 微鏡的模態(tài)仿真分析31-33
• 2.2.4 微鏡在靜力作用下的應(yīng)力及位移分布33-34
• 2.3 PLZT微鏡尺寸參數(shù)的優(yōu)化34-38
• 2.3.1 僅微梁長度變化34-35
• 2.3.2 僅微梁寬度變化35-36
• 2.3.3 僅Si層厚度變化36-37
• 2.3.4 僅PLZT層厚度變化37-38
• 2.3.5 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化結(jié)果38
• 2.4 本章小結(jié)38-40
• 3. PLZT反鐵電厚膜的異質(zhì)集成及電學特性40-56
• 3.1 PLZT反鐵電材料的基本原理40-47
• 3.1.1 反鐵電材料的研究進展40-42
• 3.1.2 反鐵電材料的基本特征42-47
• 3.2 PLZT反鐵電厚膜異質(zhì)集成47-49
• 3.2.1 化學原料47
• 3.2.2 PLZT前驅(qū)體溶液的配制47-49
• 3.2.3 PLZT反鐵電厚膜制備49
• 3.2.4 上電極的制備49
• 3.3 PLZT反鐵電厚膜表征及相變電流測試49-55
• 3.3.1 PLZT反鐵電厚膜的材料特性及極化行為49-52
• 3.3.2 電壓調(diào)控下的PLZT反鐵電厚膜誘導(dǎo)相變電流及溫譜測試52-53
• 3.3.3 電壓調(diào)控下PLZT反鐵電厚膜誘導(dǎo)瞬態(tài)電流測試53-55
• 3.4 本章小結(jié)55-56
• 4. 光束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動構(gòu)件PLZT微鏡的加工及測試56-72
• 4.1 PLZT反鐵電厚膜驅(qū)動構(gòu)件微鏡加工56-60
• 4.1.1 微鏡版圖及工藝設(shè)計56-58
• 4.1.2 微鏡加工工藝58-60
• 4.2 PLZT微鏡反鐵電性能驗證60-61
• 4.3 PLZT反鐵電厚膜微鏡測試及分析61-71
• 4.3.1 微鏡掃頻模態(tài)測試63-65
• 4.3.2 微鏡執(zhí)行性能測試65-68
• 4.3.3 微鏡撓度特性測試68-71
• 4.4 本章小結(jié)71-72
• 5. PLZT反鐵電厚膜驅(qū)動構(gòu)件微鏡的跟蹤控制方法實現(xiàn)72-104
• 5.1 驅(qū)動構(gòu)件微鏡的遲滯非線性模型72-77
• 5.1.1 遲滯模型的進展72-73
• 5.1.2 Preisach的Relay算子及其性質(zhì)73-77
• 5.2 基于Preisach算子構(gòu)建微鏡遲滯非線性模型77-92
• 5.2.1 Preisach算子的離散化表達77-79
• 5.2.2 微鏡遲滯的雙線性插值模型79-85
• 5.2.3 Preisach算子的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模原理85-89
• 5.2.4 微鏡遲滯的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性插值模型89-92
• 5.3 微鏡構(gòu)件的偏轉(zhuǎn)角控制方案選擇92-94
• 5.3.1 電荷線性控制方案92-93
• 5.3.2 位移或偏轉(zhuǎn)角反饋控制方案93
• 5.3.3 非線性逆補償控制方案93-94
• 5.3.4 微鏡構(gòu)件偏轉(zhuǎn)角控制方案的確定94
• 5.4 微鏡構(gòu)件的跟蹤控制方案及其實現(xiàn)94-103
• 5.4.1 微鏡遲滯逆模型的構(gòu)建95-96
• 5.4.2 微鏡遲滯逆模型的前饋補償控制方法96-99
• 5.4.4 PID反饋的單獨控制方法及其結(jié)果分析99-102
• 5.4.5 PID與前饋補償?shù)膹?fù)合控制方法及其結(jié)果分析102-103
• 5.5 本章小結(jié)103-104
• 6. 結(jié)論與展望104-107
• 6.1 研究工作總結(jié)104-105
• 6.2 本研究工作的創(chuàng)新點105
• 6.3 對未來工作的展望105-107
• 參考文獻107-120
• 攻讀博士學位期間發(fā)表論文及支持和參加的科研項目120-122
• 致謝122-123

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 念龍生;隆志力;王哲琳;張璐凡;方記文;;一種改進Preisach模型數(shù)值實現(xiàn)方法[J];壓電與聲光;2014年02期

，

本文編號：789843