基于锆钛酸铅的低电压驱动MEMS电场传感器研究

该文提出一种基于锆钛酸铅(PZT)的低电压驱动微机电系统(MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,其敏感单元由固定电极和可动电极构成。固定电极与可动电极均为感应电极,同时两者又是屏蔽电极。在PZT压电材料的驱动下,可动电极产生垂直于敏感芯片基底的振动并且与固定电极形成交互屏蔽,当存在待测电场时,分别在可动电极和固定电极上产生相位差为180°的感应电流信号。该文进行了传感器的设计和有限元仿真,提出敏感微结构的加工工艺流程,突破了基于PZT压电材料的可动电极MEMS工艺兼容制备技术,完成了敏感芯片制备,对传感器进行了性能测试。该传感器具有工作电压低的突出优点。实验测试表明,在0~50 kV/m电场强度范围内,采用1 V交流驱动电压,电场传感器的灵敏度为0.292 mV/(kV/m),线性度为2.89%。

空间激光通信精跟踪单元的高精度快速PZT驱动技术研究

为保证空间激光通信的顺利进行,精跟踪系统执行机构驱动器设计至关重要。在分析压电陶瓷自身特性的基础上,研制一种基于PA93的高压、大电流、高速率的新型压电陶瓷驱动电源,并对所设计的驱动电源的输出电压稳定性、范围、线性度、静态纹波,带宽等各项性能指标进行测试,得以验证该驱动电源的性能满足了整个精跟踪系统的跟踪精度保持在3μrad左右的前提条件。

基于压电陶瓷的快速反射镜驱动与控制研究

针对压电陶瓷驱动快速反射镜(fast steering mirror,FSM),设计一种基于分立元件的驱动器和一种基于位置闭环的控制器。通过分析压电陶瓷特性,建立FSM控制系统传递函数,并通过理论计算、物理建模、仿真、实物检测,对所设计的驱动器与控制器进行验证。验证结果表明,所设计的驱动器及控制器可行且有效。

运放对压电陶瓷驱动电路系统精度影响的研究

为了在光刻机投影物镜中使用压电陶瓷对像质补偿镜组进行精密定位,设计了一种以集成运算放大器构成的压电陶瓷驱动电路。针对光刻物镜中压电陶瓷的亚微米量级高精度定位要求,研究了驱动电路的系统精度要求,并对系统误差进行分解,着重分析了运算放大器放对系统精度的影响。首先,分析运放失调误差的影响;其次,使用PSpice仿真获得运放的固有频率特性,分析工作带宽下运放有限开环增益的影响;然后,对运放反馈网络的影响进行分析;最后,分析运放输出噪声的影响。计算表明,在最坏情况下该压电陶瓷驱动电路中由运算放大器引起的系统误差小于130mV,满足系统误差分配的要求。试制了系统样机并进行了验证实验,实验结果表明由运放引起的系统误差不超过100mV,与理论分析的结果符合。

压电驱动型微纳米压痕测试装置的设计与试验研究

集成压电叠堆和柔性铰链设计一种微纳米压痕测试装置,分析测试装置的原理、组成和工作过程。该装置在压入方向上可实现0.05～30μm范围内线性位移输出,在无隔振和未做恒温处理的试验环境,位移传感器示数波动小于10 nm。提出一种新的机架柔度测试方法,利用该方法得到测试装置的机架柔度值为4.8 nm/mN。熔融石英材料压痕试验结果验证测试装置和机架柔度获取方法的可行性。对测试装置进行校准,利用校准后的测试装置对单晶硅片(100)晶面进行压痕试验,对应于最大压入载荷49.60 mN,当压入载荷卸载至18 mN时压痕曲线出现典型的pop-out现象,说明测试装置对于材料结构的细微变化具有较高的分析能力。根据Oliver-Pharr相关理论,计算得到单晶硅片(100)晶面在最大压入载荷为49.60 mN时的硬度为16.29 GPa,弹性模量为181.63 GPa。

新型惯性式压电驱动机构的研究

基于控制移动机构和支撑面之间摩擦力的方法,提出了新型惯性冲击式压电陶瓷驱动机构的研究方案。分析了驱动机构的工作原理,驱动电压与驱动力、位移之间的关系,设计、制做了可实现直线往复运动的压电微型驱动器结构,并作了相关的性能测试。实验结果表明,采用简单的对称信号波形能驱动机构运动。直线驱动器最高速度可达1 mm/s,最大步长分辨率为20 nm,最大承载能力为1 000 g。

微流量测量与控制系统

本文在一些成功的微流体器件的设计加工基础上,提出了一种计算机控制的微流量测量与控制系统,对各个微机械器件做了介绍,并分析了系统的可行性。

基于FPGA的高精度压电陶瓷数字驱动电源

针对压电陶瓷驱动器在六自由度微动平台中的应用,研制了基于FPGA和PA85的六通道高精度数字驱动电源.该驱动电源分为D/A转换和高压线性放大两个模块,D/A转换模块将计算机发出的数字信号指令转换成模拟电压信号输出并进行初级低压放大,高压线性放大模块采用直流放大式电路,将经过初级放大的电压信号进行高压放大.实验结果表明,该驱动电源具有输出精度高、响应速度快、驱动能力强、稳定性好、结构简单、集成度高和调试方便等特点,能有效地应用于六自由度微动平台驱动中.

基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器逆转现象分析

在压电陶瓷等效电学模型的基础上,结合外加驱动信号波形分析了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器在工作过程中金属球产生逆转现象的原因,建立了金属球的转速及位移模型,采用快速放电回路和加速压电陶瓷放电的方法减小金属球的逆转位移及振动;利用压电陶瓷管作为微驱动元件,设计了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器,并采用不同频率的三角波信号对所设计微驱动器进行试验测试.结果表明:驱动信号频率越高,微驱动器的振动现象越明显;当驱动信号频率接近、等于或大于微驱动元件(压电陶瓷管)的固有放电周期时,金属球出现无规律运动,导致微驱动器失效;根据1 H z低频信号时的试验结果与计算所得结果基本吻合,证明了所建立的逆转理论模型的合理性.

基于PZT的微驱动定位系统及控制方法的研究

介绍了基于PZT驱动的一维微动工作台。该微动台采用柔性平行板铰链机构,对其进行了出力和位移关系的分析,并且进行了ANSYS的有限元分析设计,求得了系统的固有频率和最大位移。其理论分析、有限元计算和试验测试结果的对比分析的一致性说明了理论分析的正确性和数值分析的可靠性。使用精密光栅进行微位移闭环检测,使用哈工大博实精密测控公司研制的压电陶瓷驱动电源。采用单神经元自适应PID控制算法对系统进行控制,单神经元具有自学习和自适应能力,而且结构简单易于计算;而传统的PID调节器也具有结构简单、调整方便和参数整定与工程指标联系密切等特点。推导了单神经元自适应PID控制器,并进行了实验,微位移为20μm时的响应时间为12ms,实验证明了该方法的有效性。

压电微致动器元件的制作及特性分析

目的是设计和制作一种新型压电微致动器，用于高密度硬盘磁头的精确定位。其中，压电元件由传统的或改进的溶胶一凝胶工艺制备并利用反应离子刻蚀成型，压电层厚度范围为0．6～3μm。采用X-射线衍射和原子力显微镜等对PZT薄膜的物相、表面形貌以及颗粒尺寸等进行分析。结果显示，随着PZT层厚度从0．6～3μm的不断增加，其内部颗粒尺寸也相应增大，粗糙度越低。此外，该微致动器的驱动机理通过多普勒干涉仪进行测量。结果表明，对于封装了3μm厚PZT元件的U型微致动器悬臂装置，在±20V交变电压作用下，微致动位移达到1．146μm，谐振频率超过22kHz。

宏/微驱动定位系统滑模变结构控制的研究

研究了具有宏 /微双重驱动定位工作台的滑模变结构控制技术 .该工作台采用直线电机进行大行程位移驱动 ,来保证较大的工作行程和较快的响应速度 ,采用压电陶瓷微位移器完成精密位移驱动 ,利用光栅尺实现闭环位移反馈 ,可以实现 10 0mm的工作行程 ,0 .0 1μm的重复定位精度 .

基于LabVIEW的FBG传感解调系统的改进

介绍了自行搭建的光纤Bragg光栅(FBG)传感解调系统,给出了整体方案和关键构件的制作,尤其是LabVIEW软件解调部分。提出了传感解调系统的改进方案,主要采用DS18B20温度传感器对温度进行补偿,以完善系统的应变传感性能。采用AT89C51实现DS18B20读写操作,上位机的工作由LabVIEW完成。采用悬臂梁结构对传感光栅进行调谐,实验结果证明:系统嵌入了温度传感器后,实现了FBG应变传感的温度补偿。方法简单易用,成本低。

新型压电步进式二维精密驱动器

设计了新型压电步进式精密二维驱动器。以压电叠堆为驱动元件,在单体柔性结构上实现直线和旋转驱动二维精密驱动。同时利用独特的双侧对称箝位结构,保证工作的稳定性和准确性。进行了二维驱动器的有限元分析,通过大量试验研究,证明二维驱动器达到基本设计功能。试验结果表明:二维驱动器的旋转驱动分辨率达到0.45μrad,行程360°,速度达到0.04 rad.s-1时,扭矩可达0.2 N.m;直线驱动分辨率40 nm,行程20 mm,速度19.2 mm.min-1时,驱动力可达近10 N,可实现2自由度精密驱动。

整体对称结构的压电步进型精密直线驱动器

介绍了近年国际上压电型精密驱动器的典型结构、工作原理和特点。在此基础上,提出一种新颖的以压电叠堆为驱动元件的整体对称结构的精密直线驱动器。这种整体对称结构采用双侧对箝、精调斜块对及整体加工等独特的结构和工艺手段,保证了驱动器工作的稳定性和准确性。对该步进型精密直线驱动器进行了大量试验,说明驱动器具有实用性。

低能耗超声波传感器驱动电路设计

以克里姆霍尔兹等效模型为基础,对超声换能器的双极性与单极性电压驱动电路进行了理论分析,并针对能量转化率更高的双极性电压驱动提出了一种电路设计方案.实验结果显示,理论分析数据与实验数据相吻合,双极性电压驱动较单极性电压驱动能量转化率提高1倍,将其应用于无线传感器网系统中,约可降低15%的能量消耗.

压电陶瓷微致动器的制作及驱动行为研究

制作一种新型压电陶瓷微致动器 ,用于高密度硬盘驱动器磁头的精确定位。该致动器采用高d31特性的压电陶瓷材料 ,采用烧结成型工艺 ,并使用溅射和反应离子刻蚀工艺制作而成 ,然后进行了退极化性能等分析。此外 ,建立了一种有限元简化模型并分析其驱动能力。结果显示 ,当采用双层结构的压电微致动器时 ,在外加电压± 30V作用下 ,悬臂自由端位移和谐振频率分别达到 0 93μm和2 0 4 2 5kHz ,表明该致动器满足硬盘驱动器对微致动器位移 /电压灵敏度、谐振频率等要求。

液压放大式PZT-DDV建模与控制仿真

研制基于液压位移放大原理的压电陶瓷直接驱动伺服阀(PZT-DDV,Piezoelectric-Direct Drive Valve),实现大流量高频响的要求.分析其结构特点,建立系统数学模型,基于AMESim和Simulink的协同仿真环境,对其进行仿真控制研究.采用AMESim建立了PZTDDV的模型和虚拟液压测试系统,利用Simulink建立了数字控制器模型,通过接口组成协同仿真环境.针对PZT-DDV的迟滞、摩擦和液压位移放大结构的负载敏感特性,采用前馈控制改善迟滞,提高动态响应.基于LuGre摩擦力模型以及密闭腔压力监测,采用自适应backstepping方法实现摩擦及负载变化对放大机构输出位移的扰动补偿.仿真结果表明:前馈控制提高了系统的动态性能,自适应backstepping控制方法提高了系统的稳态控制精度.

微机控制PZT微位移器驱动电源设计

介绍了PZT微位移器驱动电源的基本原理及特点，设计并研制了一种新颖的PZT微位移器驱动电源，它具有集成度高、性能稳定、分辨率高、纹波小、结构简单和调试方便等优点.

基于显微视觉的宏／微双重驱动微动台的自动标定

提出了基于压电技术的微操作系统的自动标定方法,采用混合式步进电机直接驱动的宏动平台,实现系统大行程宏动定位,安装在宏动平台上的压电陶瓷驱动的微动平台和精密光栅,实现亚微米级的分辨率和定位精度,通过以上两部分实现定位机构的全闭环反馈控制,采用显微视觉反馈获取微动台操作器在图像中的位置信息进行标定。实验结果表明:系统的动态和稳定性能良好,自动标定运算速度快,运行速度达到11 frame/s,实现了对系统的精确标定,标定精度达到0.1μm。