基于PZT薄膜的集成式微悬臂梁结构设计与制作

设计了基于PZT压电薄膜的双层和双片压电微悬臂梁结构,利用压电材料的正压电效应和逆压电效应,通过两个压电元件实现传感和执行功能的集成.悬臂梁结构采用体硅加工工艺制作,锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3,PZT)压电薄膜采用sol-gel方法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制作,压电薄膜具有完整的钙钛矿结构和(111)择优取向.为了提高悬臂梁的性能和制作成品率,对制作微悬臂梁的关键工艺进行了优化.     

压电微悬臂梁的制作及其基频的研究

制作了PNZT薄膜驱动的压电微悬臂梁,将压电微悬臂梁的模型简化为压电层-结构层双层微悬臂梁模型,并使用理论计算和有限元仿真软件分析了双层微悬臂梁模型的基频,最后用激光多普勒测振仪对微悬臂梁结构进行了测试。结果表明,仿真、理论和实验测试结果在一定程度上符合得很好,为以后此类压电微悬臂梁的制作和基频的计算提供了参考。     

压电微悬臂梁传感器性能的数值模拟研究

基于力-电双向耦合理论,采用有限元方法,数值模拟研究压电微悬臂梁的灵敏度,并进行参数分析,为设计性能优良的悬臂梁提供理论依据。理论分析微悬臂梁在空气和液体中的共振频率和自身结构参数的定量关系,灵敏度与共振频率变化量、被测物质量的关系,通过数值模拟得到悬臂梁长度、宽度、厚度及共振阶数对微质量检测压电悬臂梁灵敏度的影响。在长期研究OPCM压电传感材料的基础上,进一步提出纵向振动的OPCM材料制作悬臂梁,数值模拟结果表明OPCM比PZT悬臂梁具有更高的灵敏度。数值模拟结果为设计性能优良的悬臂梁提供理论依据。     

硅基PZT压电驱动扫描微镜的设计与优化

设计并研究了一种硅基PZT压电悬臂梁驱动扫描微镜器件.这种扫描微镜采用单晶硅平面微镜面作为光扫描反射元件,由硅基压电复合弹性悬臂梁作为驱动机构控制水平微镜面偏转实现光信号的扫描.整个光扫描微器件可以阵列方式集成在单个硅芯片上,形成光扫描器阵列.采用数值有限元分析的方法模拟和优化了压电复合弹性悬臂梁驱动扫描微镜的力学性能.分析表明,微镜偏转角与压电悬臂长度和工作电压呈线性关系.在研究了影响光学扫描微镜机电性能各项因素的基础上,给出了器件结构优化的方法.     

PT/PZT/PT薄膜微力传感器

提出了一种基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器.运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PT和PZT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用阻抗分析仪测试了PZT和PT/PZT/PT薄膜的介电常数.结果表明,在PZT薄膜退火温度同为600℃时,PZT和PT/PZT/PT薄膜均为完整的钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向;在测试频率为1 kHz时,经600℃热处理条件下制备的PZT和PT/PZT/PT薄膜的相对介电常数分别为525和981.最后应用MEMS工艺制作了基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器.在静态和准静态下对微力传感器的传感特性进行了测试.测试结果表明,力与位移或电荷具有良好的线性关系.两种尺寸微力传感器的灵敏度分别为0.045 mV/μN和0.007 mV/μN,力分辨率分别为3.7 μN和16.9μN,满足了微牛顿量级微小力的测量.     

MEMS兼容PZT压电厚膜的性能测试

丝网印刷法制备PZT厚膜工艺与MEMS技术兼容.通过调整PZT印刷浆料粘度,并采取多次套印、多次退火及合理的烧结工艺,在硅膜片上获得了较致密的PZT厚膜.采用悬臂梁方法对制备的Ag/PZT/SiO2/n+Si结构复合压电厚膜进行了直接测试,结果表明PZT压电厚膜的压电常数d31可达70×10-12m/V,以此方法制备的压电厚膜适合作为MEMS执行器的微驱动元件.     

ZnO压电薄膜微悬臂梁的结构设计及研究

当压力作用在ZnO压电薄膜微悬臂梁上时,产生电荷量的大小将直接决定压电传感器灵敏度的高低.根据等效截面法,推导了复合微悬臂梁所受的作用力与其产生电荷量的关系方程,为传感器标定和力的测量提供理论依据,并依据此转换方程,对压电微悬臂梁的结构尺寸进行比较分析,以提高传感器的灵敏度和分辨率.此研究为压电微悬臂梁压力传感器的结构优化设计提供了一定的参考.     

ZnO压电薄膜制备及压电仿真特性分析

压电能量收集是近年来研究的热点话题，为了优化ZnO压电薄膜结构，提高其输出电压值，采用磁控溅射法进行制备并对其晶向结构进行表征。同时，利用有限元软件ANSYS分析ZnO压电微悬臂梁结构尺寸变化对输出电压的影响并得出振动频率、加速度激励与输出电压之间的关系。结果表明，制备的ZnO纳米薄膜表面成型质量较好，具有衍射峰(002)择优取向方向生长。增大振子长度、减小宽度及选取适合的厚度能够提高输出电压。当加速度2.5 g,频率500 Hz下输出电压最大为0.589 V。     

压电薄膜微传感器的动态特性分析

论述了压电薄膜微传感器的结构和工作原理,应用有限元方法对压电膜微传感器进行了动力学分析。利用有限元软件ANSYS7．0对压电薄膜微传感器结构的振动模态进行了仿真,并拟合了感应电压和动态外力幅度、频率以及结构几何参数之间的关系,这些分析为此类微传感器的设计提供了理论依据。     

不锈钢基压电厚膜微悬臂梁传感器的制作与测试

制备了不锈钢基底压电厚膜微悬臂梁传感器。利用精密激光加工技术制备了厚度为100μm的不锈钢微悬臂梁基底,由于不锈钢具有良好的导电性,可以作微悬臂梁传感器的下电极,采用模板辅助电雾化沉积技术在不锈钢微悬臂梁基底上制备了厚度为20μm的致密PZT厚膜,利用磁控溅射技术制备了30/200 nm厚的Ti/Pt上电极,最终形成了压电厚膜微悬臂梁传感器。多普勒激光测振实验表明,在20 V的激励电压下,压电厚膜微悬臂梁谐振频率为19 kHz。     

硅基PZT压电功能结构研究

PZT压电薄（厚）膜是制备MEMS传感元件和执行元件重要的功能材料,对近年PZT薄（厚）膜在MEMS领域的研究现状进行了分析,提出了一种新型的双杯PZT/Si膜片式功能结构;采用有限元方法对双杯PZT/Si膜片进行了结构优化,得到PZT和上、下硅杯的结构优化值为DPZT: D1:D2 =0.75:1.1:1;一阶模态谐振频率为13.2KHz;以氧化、双面光刻、各向异性刻蚀,以及PZT厚膜丝网印刷等工艺技术制作了双杯硅基PZT压电厚膜膜片,该膜片具有压电驱动功能。双杯PZT/Si膜片式功能结构的MEMS技术兼容性好,对芯片内其它元件或电路的影响小,适合作为MEMS片内执行元件的驱动机构。     

压电陶瓷对超声波电动机定子特性的影响

压电陶瓷(Piezoelectric ceramic,PZT)是组成超声波电动机定子的核心元件,其性能的优劣将直接影响超声波电动机的输出性能。为了研究PZT对超声波电动机定子特性的影响,利用有限元法建立超声波电动机自由定子的机电耦合动力学模型,利用该模型重点研究PZT厚度、极化分区形式、极化不均匀性以及PZT开路和短路条件时对定子动态特性的影响,并提出基于能量的PZT极化分区形式、极化不均匀性对定子动态特性影响程度的评价方法。采用自然对流传热问题的牛顿冷却定律和热容理论,建立超声波电机定子的温度特性理论模型,基于该模型研究PZT材料介电损耗对电动机定子的温度特性影响。研究结果表明:电动机定子模态频率随PZT厚度的增大而增加,而定子表面质点的振动幅值则随PZT厚度的增加而减小;PZT开路时的定子模态频率比短路时的模态频率大;改进PZT极化分区形式和极化不均匀性均可以提高超声波电动机自由定子的动态特性。基于该研究结果制作的直径10.4mm行波型超声波电动机性能稳定,堵转力矩达到9.5mN·m,空载转速1000r/min,研究结果有助于超声波电动机的产业化。     

积层式压电驱动器的有限元建模分析

该文利用有限元分析法对直动式压电伺服阀驱动元件-积层式压电驱动器的静、动态特性进行了深入的分析,建立了积层式压电驱动器多层压电结构的有限元模型,得到静态与动态工作的分析结果。理论分析的结果表明,积层式压电驱动器具有较大的输出位移与输出力,以及具有良好的动态响应特性,由其构造压电伺服阀,不会限制系统的频宽,结合合理的放大机构与阀体结构,有望达到高速、精密的伺服控制。     

Spectral element modeling and analysis of the dynamics and guided waves in a smart beam with a surface-bonded PZT layer

To predict ultrasonic guided waves generated by a piezoelectric transducer (PZT) in a structure accurately, the dynamic coupling between the base structure and the surface-bonded PZT must be modeled accurately and analyzed in an efficient way. For so-called smart beams, which consist of a metallic base beam and a surface-bonded PZT layer, we propose a spectral element model that has the capability to accurately predict high frequency dynamic responses and guided waves. For the spectral element model, Timoshenko beam theory is applied to both the base beam and PZT layer, and Mindlin-Herrmann rod theory is adopted to account for the effects of lateral contraction in the thickness direction of the base beam. The high accuracy of the spectral element model is validated by comparing the results of the spectral element model with conventional finite element method (FEM) results and results from the commercial finite element analysis package ANSYS. The effects of PZT-induced axial-bending coupling and structural damping on the dynamics and guided waves are then investigated using numeral simulation.     

智能压电复合结构的有限元建模与位置优化

针对压电复合薄板结构,提出一种新的有限元建模方法。在经典五自由度壳单元基础上,结合压电本构方程,利用多层板分析理论,构建了一种新的压电shell单元。采用该单元建模与采用现有商业软件实体压电单元建模相比,网格数量和自由度都大大降低。利用该单元对压电复合结构进行建模,在系统可观性Gramian 矩阵特征值的基础上,提出一种描述系统可控性能的指标,并以该指标构建适应度函数,利用遗传算法优化压电片的分布。按照优化结果进行布置,通过适当的激励,可以对结构各阶模态进行有效控制。     

压电元件在智能结构中的选位及有限元分析

通过对压电薄板的特性分析,建立压电薄板结构的数学模型,并对压电元件在压电智能结构中的布置进行了分析和阐述.通过有限元仿真的方法,进行了模态分析和动态响应分析,进一步阐述了压电元件位置对压电控制效果的影响.     

基于MEMS的压电微泵建模与优化

以压电驱动的无阀微泵为研究对象,根据扩张管/收缩管的压力损失系数和连续方程,建立了无阀微泵的理论模型。利用有限元分析软件,建立了无阀微泵有限元模型,进行了耦合场仿真分析。模拟并分析了不同边界条件下驱动电压、电压频率、泵膜厚度、压电薄膜厚度和压电材料对无阀微泵输出特性的影响。仿真结果显示,无阀微泵具有很好的整流特性,并且驱动电压越大,输出特性越好。在局部固定边界条件下,当压电薄膜上施加电场强度为500 V/mm的驱动电压时,存在最优的压电薄膜厚度,使得微泵的输出流量最大。研究结果为无阀微泵的优化设计提供了依据。     

一种新型盘式行波型压电钻

设计了一种基于逆压电效应的新型盘式行波型压电钻.该压电钻利用压电陶瓷的逆压电效应,使定子基体产生两相面外的弯振,利用存在相位差的两相弯振的合成使钻杆端部产生摇头运动,从而为切削和钻孔提供动力.利用有限元软件ANSYS对压电钻进行了结构仿真,分析并确定了压电钻的工作模态.根据仿真结果试制了一台样机,对该样机进行了激光扫频试验,结果显示样机工作频率为40 kHz,切削频率可达240万次/min,切削幅度可以控制在微米级.试验表明,该样机配上普通牙钻,可以在打印纸、硬纸板、铝板和钢板上进行切削、钻孔等操作.     

一种新型PZT压薄膜应力传感器的设计仿真

针对目前应力传感器不能兼顾柔性、动态测量及无法测量曲面接触应力特征信息等难题,设计了一种新型的PZT压电薄膜柔性应力传感器。主要有由PZT压电薄膜、导线、特殊的压敏涂层等构成。传感器的受力信息可以通过检测PZT压电薄膜传感器的电荷变化来获取,可应用于测量各种接触面之间的应力。为研究测量轮胎路面等具有复杂曲面接触结构的应力分布提供了新的思路和方法,分析了压电传式感器的工作原理,压电薄膜的传感特性,建立有限元分析模型,进行仿真分析,结果表明该传感器结构简单、体积小,相对于传统测量方法更加可靠,适用于曲面应力的测量。     

PZT压电薄膜微传感器的优化设计

通过经验设计出压电薄膜微传感器的基本结构，研究了压电薄膜微传感器的工作原理，选定了优化参数和优化目标；然后利用有限元软件ANSYS7.0进行优化设计，对压电薄膜微传感器的结构尺寸对其线性度和灵敏度的影响进行分析；结合微电子工艺的要求，选定了一个比较合理的结构尺寸，模拟了它的线性度和灵敏度。