压电双晶梁在微电机及微力传感器上的应用研究

论文摘要

压电式传感器和执行器具有结构简单、响应速度快、高频适用性强、驱动和处理电路简单等特点,在超声检测、精密位移和定位、声学及力学量的检测等方面已经得到了广泛的应用。压电双晶梁是一种典型的力学敏感结构,是一种多功能的应用元件。作为执行器,压电双晶梁具有位移放大的特点,可以实现相对大幅度的运动空间,来完成压电叠堆型结构所无法达到的驱动效果;作为传感器,它具有柔性好、灵敏度高的特点,通过优化结构和缩小尺寸,可以测量微小的载荷。随着微电子机械系统（MEMS）技术的不断发展,采用微加工技术制造而成的微型压电悬臂越来越受到研究者的重视,并可望成为更加具有应用前景的微型驱动和传感元件。 本文在对国内外压电式微型传感器和微型执行器的研究现状和存在的问题进行了深入分析和研究的基础上,利用压电双晶梁的结构和功能特点,将其应用于压电微型电机的驱动和微力学量的测量两个方面。主要开展了以下3个方面的研究工作: 1、把压电双晶梁结构应用于压电微型电机。分析了压电双晶梁的结构特点,讨论了双压电层双晶梁和单压电层双晶梁的传感执行模型,重点分析和说明了压电双晶梁在作为执行器时所具有的对压电结构输出位移能够进行放大的特点;研究了串联型压电双晶梁,即串联弯曲臂的椭圆运动轨迹形成机理,并通过实验验证了椭圆运动轨迹的存在以及该结构的位移放大特性,获得了椭圆运动横向和纵向位移随电压幅值和频率变化的规律;首次设计了串联弯曲臂型压电微电机的结构,分析了结构特点以及驱动原理;首次制造了两种不同尺寸和驱动组的串联弯曲臂压电微电机的样机;通过实验测试了电机的性能,得到了电机的输出空载转速、输出转矩与驱动电压幅值、驱动电压频率之间的关系;研究了预紧力以及摩擦磨损对电机的输出性能的影响。实验结果表明,串联弯曲臂压电微电机的输出性能与现有的同类尺寸压电微电机比较,有了较大提高,对于直径为5mm的样机,其输出空载转速可以达到325rpm,输出转矩可以达到36.5μNm。 2、对压电双晶梁结构进行了微型化工艺研究。研究了采用溶胶-凝胶法在硅衬底上制备PZT压电薄膜材料的工艺,分析了衬底对薄膜质量的影响;分析了压电薄膜起泡和开裂的原因,并通过改进热处理条件,避免了该现象的发生。通过测试分析了PZT薄膜的结构特点、RC阻抗特性以及铁电性能参数。测试结果表明,本文所制备的PZT薄膜沿着PZT<111>方向择优生长、阻抗较高、有着优良的铁电性能;PZT薄膜的图形化工艺对其在微器件上的应用具有重要意义,因此本文研究了PZT薄膜的干法和湿法刻蚀工艺。通过改进腐蚀过程,减小了湿法腐蚀造成的侧蚀;并找到了一种有效的ICP

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 MEMS概述
• 1.3 压电微型传感器和执行器的研究现状
• 1.3.1 压电材料的发展
• 1.3.2 压电传感器的研究现状
• 1.3.3 微力学量的检测及压电微力传感器的研究现状
• 1.3.4 压电执行器的研究现状
• 1.3.5 压电电机的国内外研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 压电双晶梁在微电机上的应用研究
• 2.1 引言
• 2.2 压电效应及压电双晶梁的特点
• 2.2.1 压电效应及压电方程
• 2.2.2 PZT压电陶瓷材料的特性
• 2.2.3 压电双晶梁的结构
• 2.2.4 压电双晶梁的传感执行模型
• 2.3 串联弯曲臂的结构及特性
• 2.3.1 串联弯曲臂的结构
• 2.3.2 串联弯曲臂的椭圆运动机理研究
• 2.3.3 串联弯曲臂椭圆运动测试试验
• 2.4 串联臂压电微电机的结构设计
• 2.4.1 串联弯曲臂压电微电机的结构
• 2.4.2 电机部分组件设计及受力分析
• 2.4.3 串联臂压电微电机的驱动电源
• 2.5 串联臂压电微电机样机的制造和性能测试
• 2.5.1 单组驱动臂样机制造和性能测试
• 2.5.2 双组驱动臂样机制造和性能测试
• 2.6 本章小结
• 3 硅基微型压电双晶梁的制作工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 PZT薄膜的制备工艺研究
• 3.2.1 PZT薄膜的主要制备方法
• 3.2.2 溶胶凝胶法制备PZT薄膜
• 3.2.3 PZT薄膜的测试分析
• 3.3 硅基PZT薄膜微型悬臂的制作工艺研究
• 3.3.1 硅基PZT薄膜微型悬臂的结构
• 3.3.2 体加工和双面对准
• 3.3.3 硅基PZT薄膜微型悬臂的制作
• 3.4 本章小结
• 4 微型压电双晶梁的动力学计算及在微力测量上的初步研究
• 4.1 引言
• 4.2 硅基PZT薄膜微型悬臂的运动学分析
• 4.2.1 压电悬臂梁的结构模型
• 4.2.2 中性层的确定
• 4.2.3 弯曲振动位移模型
• 4.2.4 电荷量的计算
• 4.2.5 静态模型
• 4.3 硅基PZT薄膜微型悬臂结构的有限元计算
• 4.3.1 材料参数的选择
• 4.3.2 模型的建立
• 4.3.3 静态分析
• 4.3.4 模态分析
• 4.4 压电薄膜悬臂式微力传感器的设计
• 4.5 微力传感器的标定系统的设计
• 4.5.1 静态力学标定
• 4.5.2 动态力学标定
• 4.5.3 微力传感器标定系统的组成部分
• 4.6 微力传感器应用的初步设想
• 4.7 本章小节
• 5 结论与展望
• 5.1 全文结论
• 5.2 后续工作展望
• 创新点摘要
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 参考文献