用于抑制超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)微振動(dòng)的壓電聲子晶體研究.pdf

1、超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是納米精度加工裝備、納米精度儀器儀表以及超大規(guī)模集成電路制造裝備的核心部件。抑制超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的微振動(dòng)對(duì)提高國(guó)家制造水平具有重要的戰(zhàn)略意義。壓電材料因體積小、重量輕、力電耦合性能強(qiáng)，常用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主被動(dòng)控制。本文將連接有共振電路的壓電結(jié)構(gòu)與彈性結(jié)構(gòu)組成了周期性結(jié)構(gòu)，即壓電聲子晶體。壓電聲子晶體通過共振電路實(shí)現(xiàn)低頻且可調(diào)的電感-電容（LC）局域共振帶隙，在抑制超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)微振動(dòng)方面具有巨大的應(yīng)用前景。
　　本文針對(duì)

2、超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中溫控傳熱管和平臺(tái)的微振動(dòng)抑制展開研究，從壓電聲子晶體中起關(guān)鍵作用的壓電能量轉(zhuǎn)換單元模型入手，通過對(duì)拉彎耦合振動(dòng)的壓電單晶片梁換能特性研究、及壓電雙晶片梁電場(chǎng)計(jì)算方法的對(duì)比分析，找到了壓電結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布的有效計(jì)算方法，并將其應(yīng)用于圓管型壓電聲子晶體模型的能帶結(jié)構(gòu)求解中，發(fā)現(xiàn)了壓電聲子晶體能帶結(jié)構(gòu)中的一些有意義的現(xiàn)象和規(guī)律。同時(shí)本文提出了聯(lián)接共振電路的板型壓電聲子晶體的能帶計(jì)算方法。本文的主要研究成果如下：
　　1.建立

3、了壓電單晶片拉壓彎曲耦合振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換模型，研究了傾角、厚度比、集中質(zhì)量等模型參數(shù)對(duì)換能效率的影響。在對(duì)厚度方向材料不均勻梁的研究中，常將坐標(biāo)軸取在中性層。本文將軸向坐標(biāo)取在梁的厚度幾何中間，克服了壓電單晶片因電場(chǎng)影響中性層不為平面且不易事先確定等缺點(diǎn)，因此更加簡(jiǎn)便有效，計(jì)算結(jié)果與ANSYS結(jié)果一致。
　　2.建立了頻率可調(diào)的壓電雙晶片梁能量轉(zhuǎn)換模型，提出了壓電結(jié)構(gòu)彎曲振動(dòng)的精確電場(chǎng)計(jì)算方法。針對(duì)壓電材料內(nèi)部電場(chǎng)的計(jì)算，通過均勻電

4、場(chǎng)法，平均電荷的均值電場(chǎng)法，精確電場(chǎng)法的對(duì)比分析，闡明了精確電場(chǎng)法在計(jì)算電場(chǎng)、電荷等物理量方面的準(zhǔn)確性和有效性，解決了常用的均勻電場(chǎng)法導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率大于1的問題。
　　3.建立了拉壓彎曲耦合振動(dòng)的圓管型壓電聲子晶體理論模型，分析了拉壓和彎曲對(duì)輸出電壓和電流的貢獻(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與ANSYS有限元結(jié)果一致，辨識(shí)了能帶結(jié)構(gòu)中局域共振帶隙和布拉格帶隙。研究了圓管型壓電聲子晶體模型的帶隙形成原因，發(fā)現(xiàn)連接共振電路的壓電聲子晶體中，可以同時(shí)出現(xiàn)

5、由電路電磁振蕩和結(jié)構(gòu)共振分別引起的兩種不同的局域共振帶隙，研究了電路、材料和結(jié)構(gòu)等模型參數(shù)對(duì)兩種局域共振帶隙影響規(guī)律。揭示了共振電路對(duì)這兩種局域共振帶隙的作用機(jī)理。
　　4.首次提出了適用于求解連有共振電路的多維壓電聲子晶體的計(jì)算方法——PWE-PPC-C，突破了傳統(tǒng)平面波展開法只能求解開路或短路條件下的壓電聲子晶體，二維或三維有電路的壓電聲子晶體只能用有限元求解的局限性。建立了連接共振電路的二維壓電聲子晶體理論模型，詳細(xì)闡述了P

6、WE-PPC-C求解過程。一維、二維有電路的壓電聲子晶體的計(jì)算結(jié)果分別用傳遞矩陣法和有限元法進(jìn)行了驗(yàn)證。研究了電路參數(shù)對(duì)板型壓電聲子晶體帶隙的影響規(guī)律。計(jì)算了長(zhǎng)方、三角、六角晶格的有電路的壓電聲子晶體能帶結(jié)構(gòu)，展示了PWE-PPC-C法具有適用性廣、收斂快等優(yōu)點(diǎn)。
　　總之，本文針對(duì)連接共振電路的壓電聲子晶體進(jìn)行了深入分析研究，得到了一系列有意義的結(jié)論。這些成果拓展了聲子晶體研究領(lǐng)域的廣度和深度，對(duì)促進(jìn)壓電聲子晶體在抑制超精密運(yùn)動(dòng)