压电叠堆驱动式超声电机设计

该文研究了拟发挥压电叠堆大输出力的特点,并提出了一种压电叠堆驱动的超声电机。电机定子由压电叠堆与金属弹性体结构组成,定子在交变激励信号下产生行波振动,并通过摩擦耦合驱动转子旋转输出。该文制作了样机,并搭建了实验平台。测试结果表明,电机转速与驱动电压呈正相关关系。当驱动电压峰-峰值为310 V时,电机最大输出转速为42.55 r/min,输出扭矩为0.8 N·m。     

微小型驻波超声电机定子振动特性的仿真分析

针对直径10 mm的两种驻波型超声电机定子的振动特性进行有限元仿真分析。利用ANSYS有限元软件建立定子的有限元模型,进行了振动模态及谐响应的仿真分析,获得定子的主要振动模态、模态频率及振幅。探讨了2种压电陶瓷及定子长度对其谐振频率和振幅的影响。研究结果表明,驻波型超声电机定子上斜槽或斜齿结构可实现模态转换,是实现电机驱动的关键。在分析的两种驻波型超声电机的8个定子中,采用PZT4压电陶瓷材料、长度16 mm的斜槽式超声电机定子的振幅值最大。     

基于行列寻址的压电超声换能器柔性曲面阵的研制

锆钛酸铅(PZT)压电超声换能器材料由于其优异的压电性能而在微电子机械系统(MEMS)领域受到了广泛的关注。订制了边长4 cm的PZT压电陶瓷片,将压电陶瓷片与柔性印刷电路板(PCB)键合,将压电陶瓷片划成2.45 mm×2.45 mm的阵元,在沟槽内填充环氧树脂胶。将键合后的压电陶瓷片粘在曲面模具上,溅射金属形成上电极,制成14×14阵元的曲面阵,其曲率半径为10 cm。此曲面阵采用行列寻址(RCA)的方式可以在水中测到发射和接收信号,并且可以对体模进行脉冲回波成像,在超声成像领域有广阔的发展前景。制备的曲面阵可为研制直径20 cm的柱面阵提供参考。     

单相短柱型直线超声电机的设计

提出了一种单相驱动的立式短柱型压电直线超声电机,论述了该电机的动作原理和设计过程。该电机利用纵向振动和横向振动的耦合模态工作。为获得同一驱动频率的一致的双向运动特性,该电机采用对称结构,利用压电陶瓷在短路和开路时弹性模量存在差异的特性,用单相驱动信号实现了纵向和弯曲耦合模态的有效激发。以增大电机弯曲振动模态前后振幅比为目标,利用三自由度集中质量的简化模型,优化了定子的结构。制作了电机的原理样机,对其进行了输出性能测试。实验结果表明,电机的输出性能良好。电机定子长22mm,自重3.3g,0.3N输出推力下最大速度达140mm/s,5N预压力下最大输出推力近1N。     

单相短柱型直线超声电机的设计

提出了一种单相驱动的立式短柱型压电直线超声电机,论述了该电机的动作原理和设计过程。该电机利用纵向振动和横向振动的耦合模态工作。为获得同一驱动频率的一致的双向运动特性,该电机采用对称结构,利用压电陶瓷在短路和开路时弹性模量存在差异的特性,用单相驱动信号实现了纵向和弯曲耦合模态的有效激发。以增大电机弯曲振动模态前后振幅比为目标,利用三自由度集中质量的简化模型,优化了定子的结构。制作了电机的原理样机,对其进行了输出性能测试。实验结果表明,电机的输出性能良好。电机定子长22 mm,自重3.3 g,0.3 N输出推力下最大速度达140 mm/s,5 N预压力下最大输出推力近1 N。     

低频压电式MEMS振动能量采集器研究

设计了一种低频压电d31模式的"八悬臂梁-中心质量块"结构微机电系统(MEMS)振动能量采集器,实现环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺实现PZT压电薄膜的异质集成制造,单个锆钛酸铅(PZT)压电敏感单元的有效尺寸为935μm×160μm×1.5μm;然后通过MEMS加工工艺完成器件微结构的加工制造,器件结构有效体积为9.936×10~(-4)cm~3;最后借助振动测试系统对该器件的各项输出性能进行测试。测试结果表明,谐振频率为60Hz、加速度激励为1g(g=9.8m/s~2)时,该能量采集器的输出电压峰-峰值为232mV。在其两端加载3.0 MΩ的负载时最大输出功率为6×10~(-4)μW,输出功率密度为0.604μW/cm~3,PZT压电敏感单元有效面积下的输出功率密度为0.025μW/cm~2。     

微型压电超声马达定子表面振动特性分析

微型压电超声马达定子表面的振动幅度是难以检测的动态微小量。定子振动状态将直接关系到压电马达的实现与否。首镒分析了采用均分电极结构的微型压电超声行波马达的定子表面的振动振幅。通过影响定子振幅相关因素的分析，表明要获得最佳表面振动效果，压电薄膜与弹性体的厚度必须相匹配。     

MEMS压电-磁电复合式振动能量采集器

具有高能量输出密度的自我供电振动能量采集技术有着迫切的应用需求,是智能化MEMS器件系统发展的重要方向。研究了一种可将外界环境振动能转化为电能的MEMS压电-磁电复合振动能量采集器,其综合了压电发电和磁电发电的优势,为新型MEMS供电研究提供了新思路。利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅(PZT)压电功能薄膜的制备,采用MEMS加工技术完成器件四悬臂梁-中心质量块基础结构的设计和制作,结合集成封装技术实现微结构与永磁铁的微组装。测试结果表明:在一阶谐振频率247 Hz,10 g加速度激励的振动状态下,器件压电部分压电敏感单元与磁电部分电感线圈的单位体积最大有效输出电压分别为2.066×107和5.002×106 mV/cm3。     

振动能量拾取MEMS压电式微能源研究

设计并制作了一种"四悬臂梁-中心质量块"结构的振动能量拾取微机电系统(MEMS)压电式微能源,实现了环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3,PZT)压电薄膜的异质集成制备;然后通过MEMS工艺和引线键合技术进行器件基础结构的集成制造;最后借助振动测试系统对该器件的各项输出性能进行测试。测试结果表明,8Hz谐振频率工作状态下,该压电式微能源器件的输出电压峰-峰值随着加速度激励的增加呈线性增大,当加速度激励为10 m/s2时,该能量采集器件的输出电压峰-峰值为82.4mV。在器件两端加载2.0 MΩ的负载时,器件输出功率密度达最大值(为2.074 3μW/cm3)。     

基于四螺旋梁-质量块的MEMS压电能量采集器北大核心

设计了一种四螺旋悬臂梁-质量块结构的压电能量采集器,将环境振动能转换为电能。采用有限元分析软件（COMSOL Multiphysics）建立结构模型,仿真结构固有频率,计算不同振动频率下器件的位移、应力、应变和电势以及不同加速度下的电压输出,仿真得到结构的一阶谐振频率为102 Hz,为后期测试提供指导。利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅（PZT）压电薄膜的制备,通过微电子机械系统（MEMS）工艺和引线键合工艺完成器件结构制造,将四个螺旋梁上的压电单元串联以实现输出最大化。性能测试结果表明：器件固有频率为110 Hz,输出电压随加速度的增大而线性增大,3g加速度下输出电压峰峰值为140 m V。     

杆式行波超声电机紧固力的实验研究

以提高一种杆式行波型超声电机性能为目标，对电机定子的结构进行了介绍，强调了定子的紧固力对压电陶瓷及电机本身性能的重要性。介绍一种电机定子紧固力的间接加载方法和PSV-300F-B型高频扫描激光测振系统工作原理及其使用方法。通过实验，得出电机定子的紧固力与定子的一阶弯曲共振频率、工作端面的最大振幅及其振动速度的关系。经过权衡多方面因素，确定本电机的最佳紧固力约为3900N，此时压电陶瓷片承受的压应力为21．3MPa。     

基于压电效应的MEMS振动式微能源器件

设计了一种硅基压电功能材料的四悬臂梁-中心质量块结构MEMS振动式微能源器件,可将环境振动能量有效转化为电能。采用溶胶-凝胶法制备硅基锆钛酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3,PZT)压电功能薄膜,经干/湿法刻蚀和溅射沉积等MEMS工艺实现器件功能结构的制备。研制的器件整体结构尺寸为7 000μm×7 000μm×300μm,单个PZT压电单元面积为0.149 6 mm2。将悬臂梁上4个压电单元串联以实现输出最大化,测试结果表明,器件的谐振频率为300 Hz,适于低频振动环境;输出电压在一定范围内随加速度增加而增大;在加速度为10 g时压电单元单位面积输出电压达1.19 mV/mm2。     

不同PZT复合温石棉纤维/水泥基材料压电性能

通过研究4种煅烧温度对Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)粉体粒径分布及晶体结构、陶瓷片微观形貌及压电性能的影响确定PZT最优合成条件。结合超声分散技术制备PZT/温石棉纤维/水泥材料(PZTCC),并分别测试复合粉体晶体结构及经压制极化后PZTCC复合片的压电性能。800℃时PZT钙钛矿特征最明显,晶粒饱满;相应PZT陶瓷片、PZTCC复合片均具有较高压电性能,其压电常数d33分别达119.2pC/N、32.5pC/N。     

行波超声电机可提供高的转换效率

超声电机是由超声振动驱动并利用摩擦力转动的;它的结构非常简单,是由转子和用连接固定一薄压电片的金属振动定子组成.这种电机具有尺寸小、重量轻、响应快等特性;在无减速装置的情况下,具有稳定低速转动的性能.其可以想象的应用是在摄象镜头驱动、汽车电子装置及工业机器人等方面.     

基于锆钛酸铅的低电压驱动MEMS电场传感器研究

该文提出一种基于锆钛酸铅(PZT)的低电压驱动微机电系统(MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,其敏感单元由固定电极和可动电极构成。固定电极与可动电极均为感应电极,同时两者又是屏蔽电极。在PZT压电材料的驱动下,可动电极产生垂直于敏感芯片基底的振动并且与固定电极形成交互屏蔽,当存在待测电场时,分别在可动电极和固定电极上产生相位差为180°的感应电流信号。该文进行了传感器的设计和有限元仿真,提出敏感微结构的加工工艺流程,突破了基于PZT压电材料的可动电极MEMS工艺兼容制备技术,完成了敏感芯片制备,对传感器进行了性能测试。该传感器具有工作电压低的突出优点。实验测试表明,在0～50 kV/m电场强度范围内,采用1 V交流驱动电压,电场传感器的灵敏度为0.292 mV/(kV/m),线性度为2.89%。     

面内弯纵型直线超声电机的数学模型与实验研究

提出了一种弯纵复合振动型的直线超声电机,电机由一块金属板和8片压电陶瓷片组成,金属板开设了4个长形孔,金属板开孔使电机的工作频率点得到优化.通过电机定子的机电耦合分析,提出了弯纵型直线超声电机的数学模型.弯纵复合振动的激发使定子驱动足的椭圆运动轨迹得以形成.通过实验验证了电机的可行性.     

基于Buck电路的压电陶瓷脉冲驱动电源研究

为提升传统压电陶瓷驱动电源的效率与动态性能,以双N型金属 氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）降压拓扑为基础,设计了一种新颖的压电陶瓷脉冲驱动电源方案,并进行了理论分析与实验验证。电源系统中主电路对输入高压进行降压调节,采样网络实时地检测压电陶瓷的驱动电压与电流,通过闭环控制对输出电压进行调节。同时,为使压电陶瓷驱动电源具有良好的自动调节能力,引入了模糊比例 积分 微分(PID)控制算法,提高了驱动电源的动态性能。     

基于PZT压电薄膜的压力传感器工艺研究

选用敏感材料锆钛酸铅(PZT),优化微机电系统(MEMS)微加工工艺,制作了硅基PZT压电薄膜叉指式电极结构的MEMS压力传感器。在基体Au/Ti/LNO/SiO_2/Si<100>上,采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法,在650℃高温下采用分层退火的方式进行退火,得到厚1.2μm的PZT压电薄膜。薄膜表面均匀,无裂纹。利用光刻工艺和低压溅射工艺得到平行叉指电极。制作完成PZT压电薄膜结构的微压力传感器,在弹性薄膜上施加压力,其电压输出性能较好,说明基于压电薄膜的叉指电极结构可行,为基于纳米纤维结构的微压力传感器的制作奠定了理论基础。     

压电陶瓷的电特性与功率损耗实验分析

压电陶瓷(PZT)致动器在飞行器的主动振动与噪声控制等航空、航天领域中得到了广泛应用,其电特性和功率损耗的确定对于优化系统结构和设计有效驱动电源均有至关重要的作用.据此,该文提出了一种预测PZT功率损耗的实验方法.该方法通过理论分析与实验测试估计PZT的电容量、介电损耗角正切及功率损耗,最终得到它们与驱动电压峰值和频率的非线性函数关系.这种功率损耗的预测能在主动振动控制领域中为设计压电陶瓷驱动电源提供指标依据.     

多孔PZT的制备与性能研究

用传统造孔剂燃烧工艺(BURPS)法,以碳化淀粉造粒后为造孔剂,制备了不同孔率的锆钛酸铅(PZT)陶瓷,研究了孔隙率随造孔剂量变化规律,并对其介电性能和压电性能与孔隙率的关系进行了讨论.随着孔隙率的增加,材料介电常数降低和压电系数(d33)均减小,而材料的静水压压电系数、静水压电压常数 (gh)、静水品质因数均增加.结合其微观结构初步讨论了产生影响的原因,并讨论了多孔PZT做水下超声应用的可行性.