微机电系统用压电驱动器的发展及应用

微驱动器是微机电系统运行的关键,压电驱动器作为新的驱动元件在这一领域迅速发展起来.它具有很高的位移分辨率以及抗干扰能力,并且控制方法简单.本文介绍了微机电系统、压电驱动器的概念,并对国外微机电系统中压电驱动器的发展及应用情况进行了详细、全面的介绍,同时指出了压电驱动器研究领域需深入探讨的关键技术.     

压电陶瓷微驱动器活塞裙部加工系统

一种采用压电陶瓷微驱动器作活塞裙部型面加工系统的微位移驱动源，用软靠模的方法，实现中凸变椭圆活塞裙部加工的车削系统。     

压电陶瓷驱动器弹性套筒的研究

针对未封装的压电陶瓷驱动器不能承受剪切力、使用时极易损坏,封装的压电陶瓷驱动器价格昂贵等问题,研制了一种弹性套筒作为未封装压电陶瓷驱动器的保护装置。根据弹性力学原理,对圆柱体套筒进行局部切割,形成弹性元件,产生弹性变形。改变弹性套筒的结构参数,可以优化其设计。建立了弹性套筒的驱动力模型。进行了加装弹性套筒的压电陶瓷驱动器位移特性实验,实验结果表明,该装置不影响压电陶瓷驱动器的使用性能,可以保护驱动器,而且加工简单,具有很好的实用价值。     

压电陶瓷微位移驱动器建模与控制

考虑利用白光干涉仪进行表面三维形貌测量时压电陶瓷(PZT)的蠕变效应对微位移驱动器位移精度的影响,提出了一种沿参考镜光轴方向提高该驱动器位移精度的方法.系统研究了该驱动器的位移检测回路、PID闭环控制以及蠕变补偿控制;利用光电位置传感器和光学杠杆调节位移检测回路,将压电陶瓷驱动器微位移反馈至控制系统,建立PID闭环控制.充分考虑了PZT蠕变特性对测量过程的影响,建立了"电压蠕变"补偿模型,实现了基于PID闭环控制与蠕变补偿控制相结合的复合控制方法.利用XL-80激光干涉仪测量压电陶瓷驱动器在PID闭环控制和复合控制二种情况下的微位移,实验结果显示前者位移误差为0.007 μm,后者位移误差为0.005 μm.结果表明该方法可有效克服压电陶瓷迟滞非线性和蠕变对测量结果的影响,满足表面三维形貌测量的高精度要求.     

压电陶瓷微位移驱动技术研究

精密异形非圆回转曲面的加工是精密加工中很重要的内容,微位移驱动技术是其中的关键技术.目前,微位移驱动元件种类很多,从控制精度和可操作性分析,压电陶瓷驱动有其独特的优点,但它的输出位移小,而且对于一定的驱动电源,输出幅度与输出频率负相关,这在很大程度上制约了它在高频响较大幅度位移输出场合的应用.为此首先对压电陶瓷的静、动态驱动特性进行了分析,并就特定PZT(Piezoelectric translator)进行了试验,在此基础上说明了该类微位移驱动有效的加工范围和改善其输出特性的措施,并提出了一种在较高频率下输出较大位移的方法,通过对系统进行数学建模进行了分析讨论,指出了其应用前景.     

压电陶瓷驱动器蠕变特性的研究

压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高、体积小、响应快、输出力大、不发热等优点，但其固有的迟滞、蠕变和非线性，严重影响了它的定位精度。在大行程微动工作台中，需要借助于位移放大机构来克服压电陶瓷驱动器位移行程小的缺点，但放大机构在放大位移的同时，也放大了压电陶瓷蠕变和迟滞误差的影响。本文通过对一种大行程压电陶瓷微动工作台蠕变特性的研究性实验，得到了该机构的蠕变特性曲线，找到了压电陶瓷驱动器蠕变的规律，为进一步修正和减少蠕变误差的影响、提高系统的定位精度，提供了科学的依据。     

基于惯性-摩擦原理的PZT驱动四自由度微驱动器的研究

提出了一种由PZT驱动、基于惯性-摩擦原理的四自由度驱动器方案,在原理实验的基础上制作了四自由度驱动器的原型,并讨论了这一微驱动器的运动特点。实验证明:这一原理应用于微驱动器是可行的。压电陶瓷的通电频率处于0Hz～30000Hz时微驱动器的运动是线性可控的。同时,也讨论了驱动器设计中应该注意的问题及其未来的研究方向。     

机构,驱动,检测一体化的压电陶瓷旋转型驱动器的研究

绍一种结构紧凑、分辩率高、动态性能好、安装方便的压电陶瓷旋转型驱动器。驱动器内部藏有电阻应变式角移传感器，具有机构、驱动、检测一体化物的特点。该驱动器有多个联接结合面，并且结构要素一致，可以方便地与其他旋转型驱动器或直线型驱动器组装成多自由度的微驱动机器人系统。     

压电式自感知微驱动器的研究

利用压电材料具有正逆压电效应的特性,设计制作了压电式自感知微驱动器,同时实现了在一个器件中传感与驱动两种功能.通过Matlab软件仿真和实验,对该方法的正确性和可行性进行了验证,结果显示该方法可行,效果良好.     

压电陶瓷微位移驱动技术的研究

精密异形非圆回转曲面的加工是精密加工中很重要的内容，微位移驱动技术是其中的关键技术。压电陶瓷驱动控制精度高、可操作性强，但它的输出位移小，而且对于一定的驱动电源．输出幅度与输出频率负相关，制约了它在高频响、较大幅度位移输出场合中的应用。文章首先对压电陶瓷的静、动态驱动特性进行了分析，并就特定PZT(Piezoelectric Translator)进行了实验．在此基础上提出了该类微位移驱动有效的加工范围和改善其输出特性的措施，提出了一种在较高频率下输出较大位移的方法。     

Dynamical research on spherical micro actuator with piezoelectric ceramic stacks drivers

This paper develops a 30 mm × 30 mm × 50 mm spherical micro actuator driven by piezoelectric ceramic stacks (PZT), and analyzes its dynamic performances. First, the space coordinate relationship of the spherical micro actuator and a dynamic model are set up. Second, The Runge-Kutta arithmetic is used to calculate the dynamical parameters of the micro actuator; the SIMULINK module of MATLAB is used to build the dynamical simulating model and then simulate it. Third, an experimental sample of the spherical micro actuator is developed, a micromanipulator is integrated with a micro-gripper based on the sample spherical micro actuator, and the experimental research on the micro assembly is conducted between a micro shaft of Φ180 μm and a micro spindle sleeve of Φ200 μm. Finally, the characteristics of the spherical micro actuator influenced by the mass of the metal sphere of the micro actuator, driving signal frequency, friction coefficient of the contact surface between the metal sphere and the friction block of the micro driving unit are analyzed. The experimental results indicate that the rotation resolution of the micro actuator reaches 0.000 1°, the rotation positioning precision reaches 0.000 5°, and the maximum working frequency is about 1200 Hz. The experimental results validate the back rotation vibration model of the spherical micro actuator. The micromanipulator integrated by the spherical micro actuator can meet the requirements of precise micro operation and assembly for micro electro mechanical systems (MEMS) or other microelements in micro degree fields. __________ Translated from Optics and Precision Engineering, 2007, 15(2): 248–253 [译自: 光学精密工程]     

非线性模型的压电元件复合控制方法

研究了压电元件的非线性及其复合控制问题。依据压电元件全程及局部伸长和缩短的实验数据,提出了一种根据外环曲线参数及当前坐标值确定比例系数,进而确定内环伸长曲线的数学模型。实验表明,这种全面反映内、外环曲线的非线性数学模型对上升和下降过程的最大拟合误差在全程范围内分别为1.2%和2.0%。利用此模型,可在压电元件非线性外环曲线及目前电压-伸长量已知的情况下,求出其下一时刻上升或下降的路径。以此模型为基础,构造了一种压电元件前馈复合控制算法,在输入峰-峰值为4 μm位移的情况下,得到了280 Hz的闭环带宽。同普通PID控制算法相比,带宽提高了30%以上。     

压电驱动微位移工作台动态特性分析

压电驱动微位移工作台的动态特性分析对其设计及实际应用都有很大的指导作用.本文在线性化的前提下,通过对这种微位移工作台各个组成部分的相应简化,分析了在频响低于共振频率时微位移工作台的动态特性,得出了其传递函数.另外,本文还对影响工作台设计的两个重要边界条件-初始预紧力和工作台所能达到的最大频响进行了比较详细的推导,给出了其所应满足的量化指标.     

微型爬壁机器人研究的关键技术

首先论述了微型爬壁机器人的发展背景及与传统爬壁机器人的区别。然后对微型爬壁机器人研究的国内外现状及关键技术做了详细分析。     

Gas transfer and hemolysis in an intravascular lung assist device using a PZT actuator

The purpose of this study was to investigate the effect of multiple mechanical forces in gas exchange and hemolysis in an intravascular lung assist device (IVLAD). Specific focus was given to the effect of membrane vibration. We designed the oscillatory type artificial lung assist device attached with a polyvinylidene fluoride sensor and a lead zirconate titanate (PZT) actuator (vibrator). Maximum oxygen transfer occurred at a frequency of 7 Hz for bovine blood and 35 Hz for distilled water. The normalized index of hemolysis oxygenator values for the circuit was 0.0014 g/mL for excitation of the PZT actuator with a sinusoidal 10-V wave and 0.0018 g/mL for a 50-V wave. The experiment results indicate effective performance in enhancing the gas transfer of the IVLAD. This novel hollow membrane filter IVLAD design demonstrates an acceptable level of gas exchange performance with an acceptable level of blood compatibility, and so it has potential as an implantable lung assist device for patients with acute respiratory distress syndrome.     

利用体块PZT制备膜片式压电微泵

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应,设计并制备了膜片式压电微泵。通过将电能转换为机械能,实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成;微驱动器主要为液体流动提供驱动力,单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析,确定了微驱动器的设计尺寸,并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后,设计了驱动测试实验,检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明:所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70kHz,能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30Vp-p、频率为600Hz时,液体的驱动流速约为65μL/min。该微泵具有体积小,线性度好等特点。     

基于显微视觉的亚像素压电陶瓷驱动特性测量

为了得到纳米操作压电陶瓷驱动器高精度的驱动特性,提出一种基于显微视觉的亚像素位移测量方法。本文采用Harris角点初始定位,对标准的栅格图像序列进行角点匹配,获得模板匹配的初始区域。并提出了二元拉格朗日插值与二元非线性Newton-Raphson迭代算法的亚像素位移测量方法,能够在保证良好测量精度的同时有效地减少亚像素匹配中耗时的相关计算。最后使用改进的亚像素图像块匹配方法对实际的压电陶瓷驱动器的驱动特性进行了测量,并与真实结果和理论模型描述结果进行了对比。实验结果表明,该算法位移测量精度高、稳定性好,得到的压电陶瓷驱动特性曲线符合物理分析结果,能够满足高精度的微纳米测量要求。     

新型惯性式压电驱动机构的研究

基于控制移动机构和支撑面之间摩擦力的方法,提出了新型惯性冲击式压电陶瓷驱动机构的研究方案.分析了驱动机构的工作原理,驱动电压与驱动力、位移之间的关系,设计、制做了可实现直线往复运动的压电微型驱动器结构,并作了相关的性能测试.实验结果表明,采用简单的对称信号波形能驱动机构运动.直线驱动器最高速度可达1 mm/s,最大步长分辨率为20 nm,最大承载能力为1 000g.     

采用双晶片驱动的棒板结合式压电驱动器设计

设计制作了一种采用双晶片压电陶瓷结构的棒板结合式压电驱动器.和瓷片分别粘接在青铜定子的上下两侧.定子上的金属圆柱体被用来放大振动的横向位移,并对金属棒状的转子进行激振,使其旋转.利用有限元分析(FEA)对定子进行了分析,发现在同样的驱动模式下,与传统的单片陶瓷片驱动器相比,该驱动器可以提供更多的横向和纵向的振动位移,大约提高25%左右.这种新结构也可避免不同振动模式之间的模态耦合现象,并产生理想的振动模态,以提高驱动器的运行稳定性.实验表明,驱动器在25 Vo-p低电压下可以提供512r/rain的转速,而单片陶瓷驱动器在该电压下不能工作.这种压电驱动器可以经过优化和调整来满足不同的实际应用,如精确定位仪器,生物工程和光聚焦系统等.