壓電雙晶梁在微電機及微力傳感器上的應(yīng)用研究.pdf

1、該文在對國內(nèi)外壓電式微型傳感器和微型執(zhí)行器的研究現(xiàn)狀和存在的問題進行了深入分析和研究的基礎(chǔ)上，利用壓電雙晶梁的結(jié)構(gòu)和功能特點，將其應(yīng)用于壓電微型電機的驅(qū)動和微力學(xué)量的測量兩個方面。 主要的研究工作： 1、把壓電雙晶梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于壓電微型電機。分析了壓電雙晶梁的結(jié)構(gòu)特點，討論了雙壓電層雙晶梁和單壓電層雙晶梁的傳感執(zhí)行模型，重點分析和說明了壓電雙晶梁在作為執(zhí)行器時所具有的對壓電結(jié)構(gòu)輸出位移能夠進行放大的特點；研究了串聯(lián)型壓電雙

2、晶梁，即串聯(lián)彎曲臂的橢圓運動軌跡形成機理，并通過實驗驗證了橢圓運動軌跡的存在以及該結(jié)構(gòu)的位移放大特性，獲得了橢圓運動橫向和縱向位移隨電壓幅值和頻率變化的規(guī)律；首次設(shè)計了串聯(lián)彎曲臂型壓電微電機的結(jié)構(gòu)，分析了結(jié)構(gòu)特點以及驅(qū)動原理；首次制造了兩種不同尺寸和驅(qū)動組的串聯(lián)彎曲臂壓電微電機的樣機；通過實驗測試了電機的性能，得到了電機的輸出空載轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動電壓幅值、驅(qū)動電壓頻率之間的關(guān)系；研究了預(yù)緊力以及摩擦磨損對電機的輸出性能的影響。實驗結(jié)

3、果表明，串聯(lián)彎曲臂壓電微電機的輸出性能與現(xiàn)有的同類尺寸壓電微電機比較，有了較大提高，對于直徑為5mm的樣機，其輸出空載轉(zhuǎn)速可以達到325rpm，輸出轉(zhuǎn)矩可以達到36.5μNm。 2、對壓電雙晶梁結(jié)構(gòu)進行了微型化工藝研究。研究了采用溶膠-凝膠法在硅襯底上制備PZT壓電薄膜材料的工藝，分析了襯底對薄膜質(zhì)量的影響；分析了壓電薄膜起泡和開裂的原因，并通過改進熱處理條件，避免了該現(xiàn)象的發(fā)生。通過測試分析了PZT薄膜的結(jié)構(gòu)特點、RC阻抗特性

4、以及鐵電性能參數(shù)。測試結(jié)果表明，該文所制備的PZT薄膜沿著PZT<111>方向擇優(yōu)生長、阻抗較高、有著優(yōu)良的鐵電性能；PZT薄膜的圖形化工藝對其在微器件上的應(yīng)用具有重要意義，因此該文研究了PZT薄膜的干法和濕法刻蝕工藝。通過改進腐蝕過程，減小了濕法腐蝕造成的側(cè)蝕；并找到了一種有效的ICP干法刻蝕PZT薄膜的工藝，刻蝕效果和速率令人滿意。該文還重點研究了硅基PZT薄膜微型懸臂的制作工藝，找到了一種新的體硅加工硅基PZT薄膜微型懸臂的工藝流

5、程，并采用該加工路線，成功地制造出了三種尺寸的硅基PZT薄膜微型懸臂結(jié)構(gòu)，研究了在加工過程中遇到的關(guān)鍵問題及解決方法。 3、研究了微型壓電雙晶梁在微力傳感上的應(yīng)用。采用數(shù)值計算的方法，研究了硅基PZT薄膜微型懸臂的運動學(xué)模型，計算得到了微型懸臂的運動學(xué)參數(shù)以及在集中力載荷下的電學(xué)響應(yīng)；采用MEMS有限元分析軟件CoventorWare建立了該結(jié)構(gòu)的模型，模擬并計算了該結(jié)構(gòu)在微力載荷、電壓激勵下的響應(yīng)，并通過模態(tài)分析，得到了該結(jié)構(gòu)