压电材料在微位移研究发展.docVIP

压电材料在微位移上的应用 材料科学与工程学院 材料物理 张培 学号：1043011023 高精度和高分辨率的精密微位移系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位。它是直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节。同时它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。从七十年代后期起，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展，随着集成度的提高，要求电路中的各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。随着科学技术的发展，更多的其他领域也越来越迫切需要精密的微动系统，例如，生物、医学、光纤对接、微细加工、微型机器人装配等。微位移技术是现代工业基础的重要组成部分，它几乎左右着上述各领域的发展。 微位移系统一般有微位移机构、检测装置、控制系统三部分组成。检测装置和控制系统是为了让微位移机构达到更高的精度。也就是当微位移机构达不到预想的精度时，需要检测装置和控制装置不断的纠正和反馈，使得微位移机构能够更精确的执行，三者关系如下。 微位移技术在精密仪器中主要用于提高整机的精度，因此随着科学技术的发展，精密仪器的精度越来越高，微位移技术应用越来越广。根据目前的应用范围，大致可分为四个方面:精度补偿、微进给、微调、微执行机构。 压电、电致伸缩器件是近年来发展起来的新型微位移器件，也是目前应用最为广泛的技术。使用压电或电致伸缩器件驱动，不仅控制简单(只需控制外加电压)，而且可以很容易实现亚微米甚至是毫微米级的精度，同时不产生噪声和发热，可适于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移机构。已在航空、宇航、微电子工业部门、精密测量和生物工程领域获得重要的应用。由于他的出现，开创了精度进入纳米的新时代。 压电陶瓷驱动器是利用机电耦合效应，即逆压电效应或电致伸缩效应来产生微位移的。 电致伸缩效应：电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而引起应变，应变与电场方向无关，应变的大小与电场的平方成正比，这个现象称为电致伸缩效应。 逆压电效应：电介质在外界电场作用下，产生应变，应变的大小与电场大小成正比，应变的方向与电场的方向有关，即电场反方向时应变也改变方向。因此，压电材料在外电场的作用下，应变与电场的关系为 s=dE+ME2 （1） 式中：dE—逆电压效应；ME2—电致伸缩效应；d—压电系数；M—电致伸缩系数 根据公式（1），当无电致伸缩效应时，ME2=0，那么压电系数为：d=sE=∆ll×bu式中：U—外界施加的电压；b—压电陶瓷厚度；𝑙,∆𝑙—分别为压电陶瓷所用方向的长度和施加电压后的变形量，所以： ∆l=lbUd （2） 压电陶瓷的一个很重要的缺点是变形量小，压电微位移器件在施加较高电压时，行程仍很小。所以在设计微位移器件时，应尽量提高压电陶瓷的变形量。由上述公式，提高微位移器行程的措施可从以下几个方面考虑： （1） 增加压电陶瓷的长度l和提高施加的电压U，这是实际中常用的方法。但增加长度会使结构增大，提高电压会造成使用不便。 （2） 减小压电陶瓷的厚度b，可使变形量增加，但厚度减小会使强度下降，如果是承受较大的轴向压力，可能会使器件破坏，故应兼顾机械强度。 （3） 把多层压电陶瓷薄片胶结为整体，在其中埋入电极形成机械上串联，电路上并联的叠层结构，如图： 由公式（1）可以得到压电堆叠的伸缩量与所加电压的关系为： ∆l=ndU+nMU2/t 式中：∆l—压电陶瓷总伸缩量；n—压电陶瓷片数； t—每片压电陶瓷的厚度 对于采用电致伸缩效应的压电驱动器，在外加电场作用下伸长量与电压的关系即为 ∆l=nMU2/t 微位移机构种类很多，他们各有自己的优缺点和应用范围。压电、电致伸缩器件是近年来发展起来的新型微位移器件，也是目前应用最为广泛的技术。但是它也存在一些弊端，（1）压电陶瓷的变形量小。通过将多片压电陶瓷胶结为整体起来得到相对大的变形量。（2）压电驱动器的非线性使动精度降低。通过对驱动电源进行电压补偿、利用PID闭环控制校正来解决非线性问题。