新型壓電微驅(qū)動器在光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的高速發(fā)展,MEMS器件對驅(qū)動器材料的結(jié)構(gòu)和性能有著越來越高的要求。MEMS壓電驅(qū)動器由于體積小、速度快、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)在光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)越來越受到重視。所以,對MEMS壓電驅(qū)動器的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及應(yīng)用研究對MEMS的發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。本課題主要通過優(yōu)化壓電驅(qū)動器的幾何結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其驅(qū)動品質(zhì)。提出了計(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)的彎曲剛度及驅(qū)動力的解析方法;采用有限元模擬方法,驗(yàn)證了該解析方法的有效性及優(yōu)化結(jié)構(gòu)的優(yōu)良

2、特性。此外,采用新型PMN-PT(鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛)單晶巨壓電材料于優(yōu)化結(jié)構(gòu)中,進(jìn)一步增強(qiáng)了其工作性能。主要研究工作包括以下幾個方面:
　　 (1)設(shè)計(jì)出“力學(xué)聚焦型”及“彎曲-力學(xué)聚焦型”懸臂梁式壓電驅(qū)動器,采用歐拉-伯努利理論,分別推導(dǎo)出計(jì)算聚焦結(jié)構(gòu)和彎曲-聚焦結(jié)構(gòu)的彎曲彈性系數(shù)解析公式。其中用于計(jì)算單層聚焦結(jié)構(gòu)及單層彎曲聚焦結(jié)構(gòu)的彎曲彈性系數(shù)公式同樣可以用于計(jì)算其它類似結(jié)構(gòu)。通過解析計(jì)算方法和有限元方法,比較了兩種驅(qū)動結(jié)構(gòu)

3、的特點(diǎn)。研究表明,在相同驅(qū)動器尺寸及相同外加電壓條件下,彎曲聚焦型驅(qū)動器與聚焦結(jié)構(gòu)相比,在犧牲了一定驅(qū)動力情況下產(chǎn)生了更高的位移。通過有限元分析方法,證明了計(jì)算彎曲彈性系數(shù)方法的有效性以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)的驅(qū)動特性。
　　 (2)為了進(jìn)一步改進(jìn)驅(qū)動器性能,采用新型PMN-PT單晶壓電材料用于所設(shè)計(jì)驅(qū)動器中,并與PZT(鋯鈦酸鉛)驅(qū)動器作了比較。研究表明,在具有同樣幾何結(jié)構(gòu)和大小的前提下,PMN-PT驅(qū)動器位移高于后者數(shù)倍,驅(qū)動力也明顯提

4、高,表現(xiàn)出更好的驅(qū)動性能。
　　 (3)作為所設(shè)計(jì)驅(qū)動器在光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用,研究了具有力學(xué)聚焦機(jī)制的單層壓電片驅(qū)動器用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)(簡稱AO,AdaptiveOptics)微變形鏡的可行性。分析了微變形鏡的位移遷移率。證明了聚焦型驅(qū)動器與簡單懸臂梁驅(qū)動器相比具有更高的驅(qū)動效率。
　　 (4)設(shè)計(jì)出采用PMN-PT彎曲-力學(xué)聚焦型驅(qū)動器的層狀光柵干涉儀。在2mm×2mm尺寸下,設(shè)計(jì)了干涉儀的具體結(jié)構(gòu)參數(shù);研究了在