多自由度多层压电陶瓷微操纵技术的理论模拟.pdfVIP

第36卷 增刊1 稀有金属材料与工程 ⅦI-36，Sllppll 2007年 8月 RAREMElALMATERLALSANDENO脏ERnqG 2007 Aug∞t 多自由度多层压电陶瓷微操纵技术的理论模拟 褚祥诚，黄金锭，李思贤，李龙土，桂治轮 (婿华大学材料科学与工程系，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京100084) 摘要：压电陶瓷具有简单、体积小、质量轻、分辨率高等优点．在微操作器驱动中是主流材料。针对一种三自由度 多层压电陶瓷微操纵技术进行了理论模拟研究，采用有限元法分析了操纵器在不同驱动方式下的工作状态，如：沿z 轴平动、绕J轴和*r轴平分线转动3种情况。研究了陶瓷片内部应力特点，并对微操纵的变形行为作了定量分析． 得到了探针的位移与驱动电压呈现良好的线性关系，通过对比针尖位移量与所施加的电压之间的系数D以及压电材料 关键性能参数如，验证了模拟的准确性，并验证了采用多层压电陶瓷降低驱动电压实现微操纵的可能。 关键词：微操纵器：压电陶瓷：多自由度：有限元分析 146．4 中图法分类号：TG 文献标识码；A 文章编号；l∞2-185x(2007)sl·0513．04 1 前言 Z 随着科学技术的发展， 航天技术、徽电子工程、 计量科学与技术、光学与光电子工程、精密工程、生 物工程、纳米科学与技术等领域对器件的操纵精度提 出了更高的要求。微操纵器具有微纳米级的定位能力， 而且体积小，运动灵活。压电陶瓷具有结构简单、体 积小、质量轻、分辨率高、控制简单、响应速度快、 没有发热问题等优点。在微操作器驱动中是主流材料。 瑞上的A．Berg¨dev等人…提出了一种三自由度 的圆盘片式微操纵器结构，该操纵器在z轴方向上位 图l三自由度压电陶瓷微操纵器示意圈 3一DoF micro 移可达_9．5～20．6 m蛐ipulatOf um，中间点的倾斜角可达±3．2× Fig．1 piezoel∞仃ic 100(。)。Kat¨shiFunlt∞il等人【2】制作并研究了一种L 型三自由度器件，他们的实验结果表睨，在静电场作 操纵器由金属底盘、陶瓷片以及操纵探针组成。4 用下，该器件不同方向上的位移与作用力同施加的电 片陶瓷片通过在上表面分别接出的电极来控制自身的 压呈现出较好的线性关系。北京化工大学的王建林等 变形，从而实现探针针尖的移动，如：针尖沿z轴移 人口1研究的纳米定位系统定位精度优于±0．03¨m，定动；1、2、3、4陶瓷片施加同向等幅电压针尖沿J轴 位分辨力3m，最大定位时间40ms。 转动；2、4陶瓷片施加反向等幅电压针尖沿y轴转动； 本研究提出了一种新型的多层压电陶瓷微操纵器 1、3陶瓷片施加反向等幅电压。 结构，并采用有限元的方法对它的各种变形行为进行 通过高精度的探测手段获取针尖的位置，借助压 了模拟分析。 电陶瓷对位移的精密控制，控制4片陶瓷片上所施加 的电压，可以精确控制针尖的位移。若陶瓷片采用多层 2微操纵器模型 结构，所驱动电压大大降低，其可应用场合更加广泛。 。。萋三署苎妻篓应原理’提出了一种三自由度压电 3操纵器变形模拟的建立过程 陶瓷微操纵器结构：