MEMS变形镜用PZT厚膜致动器阵列的制备及性能表征

提出了一种基于锆钛酸铅(PZT)压电厚膜致动器阵列驱动的MEMS微变形镜,建立了该微变形镜的结构模型,分析了其结构中各层厚度对其性能的影响.PZT压电厚膜是通过基于PZT压电陶瓷体材料的湿法刻蚀技术制备的,刻蚀液为1BHF∶2HCl∶4NH4Cl∶4H2O.以数字锁相方法测试了压电厚膜的介电性能,在100 kHz以下时,其介电常数和介质损耗分别优于2 400和3%.利用悬臂梁方法测试了压电厚膜的d31横向压电系数,约为-250 pm/V.制备了4×4阵列的压电致动器阵列.采用激光多普勒测试压电致动器的电压位移曲线,在100 V的电压驱动下致动器的变形量大约为2.2μm;测试了致动器的频率响应,其谐振频率高于100 kHz;致动器刚度大,带负载能力强.

PZT驱动快速控制反射镜的设计与试验

针对望远镜光束对准精确度损失以及光束稳定性难以保持等问题.将快速控制反射镜技术应用到望远镜光路系统中,开展了影响压电陶瓷(PZT)驱动快速控制反射镜性能指标的分析;建立了结构谐振频率、分辨力、通光口径和惯性力等与系统性能之间的关系,根据Rayleigh能量法建立了其基频理论模型,在此基础上建立了有限元模型并对理论模型进行了评价,进行了结构一阶谐振、量程、一致性以及校正能力试验。研究结果表明:与实测结果相比,理论和仿真分析结果误差均小于3%,证明了理论模型简化的合理性与正确性,可以作为后续设计参考;结构双向一致性较好;校正量程大于±4';校正能力优于0.06″,对于较差视宁(相干长度50 mm,等晕角2″)亦可以满足精度高、响应快的应用要求。

微光学自适应技术中基于PZT薄膜的微反射镜工艺研究

介绍了微光学自适应技术中基于PZT(PbZrxT i1-xO3)薄膜的微反射镜单元及其制作工艺。该制作过程中用重掺杂硅片作为基底和下电极,采用了钛酸丁脂[(C4H9O)4T i]、乙酸铅[Pb(CH3COO2).3H2O]以及异丙醇锆[Zr(OCH(CH3)2 4.(CH3)2CHOH]为原料,通过溶胶-凝胶法(so l-gel)制作薄膜,薄膜厚度为纳米级。制成的PZT薄膜通过逆压电效应产生形变,对反射镜面局部进行微调,实现波前位相控制。

基于PZT的非球面能动抛光盘定位误差分析

研制了一个口径为100 mm、含19个PZT驱动器的非球面能动抛光磨盘,用于加工口径为350 mm、k=-1.112 155、顶点半径为840 mm的双曲面镜。为研究定位误差对非球面能动抛光磨盘输出面形精度的影响,对磨盘上任意点所需变形量δ以及由定位误差引入的变形量误差Δδ进行了理论公式推导,并利用有限元分析方法计算得到了当非球面能动抛光磨盘中心到非球面工件中心的距离L为120 mm且δL分别为0,-1.0,-0.5,0.5,1 mm时,非球面能动抛光磨盘输出面形与理论面形比较剩余残差RMS相应分别为0.329,0.454,0.366,0.367,0.461μm,定位误差导致剩余残差RMS分别相应增加0,38%,10.9%,11.2%,40%。因此,定位误差应该控制在±0.5 mm以内。

基于PZT的非球面能动抛光盘设计优化

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。为优化设计基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,利用有限元分析方法,计算各驱动器的影响函数,计算非球面能动抛光盘的输出面形,与理论面形比较得到剩余残差。以优化设计驱动器排布方式和极头直径为例,当非球面能动抛光盘中心到非球面工件中心的距离L为120mm,分别计算比较,极头直径为Φ10mm时,19单元PZT圆形排布与21单元PZT方形排布的剩余残差;以及19单元PZT圆形排布时,极头直径为Φ10mm与Φ14mm的剩余残差。结果表明,非球面能动抛光盘产生变形后的剩余残差RMS相应分别为0.303μm、0.367μm、0.328μm。因此,基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘确定选用19单元PZT圆形排布且极头直径Φ10mm。

恒星光干涉仪中主动镜的研究

主动镜是恒星光干涉仪中的关键部件之一。介绍了主动镜在干涉仪主动镜系统中的作用和主动镜的结构。给出了用光电法设计的用来测试主动镜动程、分辨率和频率响应特性的两套系统。对所研制的主动镜的性能进行了实测并给出了测试结果。实测结果表明 ,主动镜两个轴上的转角行程和分辨率均方根值完全达到了设计指标。

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。

大口径压电倾斜镜模型辨识与控制

本文提出了一种基于随机梯度优化算法的倾斜镜模型辨识方法,实现对大口径压电倾斜镜的复杂频率响应规律的辨识与控制带宽提高。文章介绍了压电倾斜镜原理和数学模型,描述了随机梯度优化算法在模型辨识的应用过程,并通过实验验证的方式检验了算法辨识模型的准确性以及在提高系统控制带宽方面的能力;最后,利用随机梯度下降算法本文还开展了对抖动输入频谱的辨识,结合倾斜镜模型的辨识结果,获得了对特定频谱区域更高抑制能力的控制效果。

基于锆钛酸铅薄膜的变形镜微致动器

以锆钛酸铅(PZT)薄膜作为驱动材料,制备了变形镜的微致动器阵列.使用有限元软件对致动器进行了模拟仿真,得到了驱动器上电极尺寸、Si弹性层厚度等参数对致动器性能的影响,获得了最优化的致动器结构.以钙钛矿相的镍酸镧(LNO)作为PZT薄膜在Pt衬底上生长的缓冲层,增强了PZT薄膜的(100)取向,减小了PZT薄膜的内部应力,提高了致动器的驱动性能.最终制备出的1μm厚PZT薄膜驱动的变形镜微致动器,在10 V直流电压的激励下,具有2.0μm的变形量.以PZT薄膜作为驱动材料制备的变形镜微致动器阵列,对变形镜致动器的微型化和系统集成度的提高具有重要意义.

MEMS压电变形镜的有限元分析与结构优化设计

对PZT厚膜驱动的微变形镜（DM）进行了结构优化设计。基于有限元方法（FEM），分析了结构中各个参数对变形镜性能的影响。优化结果表明，单元边长1．75mm的驱动器，在最优参数下冲程可达2～5μm@100V，且加载镜面后驱动器的位移损失小于12％，带镜面负载能力强。根据优化结果制备了压电厚膜微驱动器阵列，驱动器的冲程可达4．5μm@100V，并与有限元方法的结果进行了分析比较。

压电厚膜驱动的高刚度微变形镜的制备

研究制备了一种压电厚膜微变形镜,微变形镜的连续薄膜式单晶硅镜面由61单元压电厚膜致动器阵列驱动.以镜面冲程与工作频带宽为目标,对微变形镜的结构参数进行优化设计,根据优化参数采用硅微加工技术试制了61单元致动器的微变形镜.镜面、压电陶瓷与弹性支撑层厚度分别为100μm、60μm与60μm,单元间距为5mm,通光口径为40 mm.对制备的样品性能进行了测试,微变形镜在100 V电压驱动下变形量约为2.84μm,工作带宽大于10 kHz.测试结果还表明压电厚膜驱动的微变形镜拥有较高刚度,有利于提高镜面初始平面度.

基于dsPIC的精跟踪控制系统设计

对精跟踪的驱动、检测和控制方法进行了研究。设计了精跟踪控制系统的驱动、检测和控制电路,并针对驱动电路的动、静态性能进行了测试研究,对检测电路进行了标定实验,对模糊自整定PID控制方法进行了研究。采用模拟扰动源对系统性能进行了测试,结果表明该系统有良好的精跟踪能力。

用于MEMS变形镜的双电极压电厚膜致动器

提出了一种用于MEMS变形镜的双电极驱动的压电陶瓷(PZT)厚膜致动器.采用有限元方法分析致动器变形时的应力分布情况,优化了内外圈电极尺寸,制作了61单元六边形分布的致动器阵列.测试结果表明,致动器在100 V工作电压下的冲程约为6.6μm,谐振频率为58 kHz,位移迟滞为8%～9%,通过采用单边电压-位移曲线的策略有效降低了位移迟滞,并进一步提出了分时驱动的电路方案.

光学相干层析系统的纵向扫描方式研究

基于光学相干层析 (OCT)系统工作原理 ,对OCT系统的几种纵向扫描方式包括压电跃变方式扫描、旋转反射镜阵列扫描、飞秒激光器扫描以及自行设计研制的凸轮机构扫描方式进行了详细的理论分析 ,并对凸轮扫描机构进行了实验研究 ,对这几种扫描方式的优缺点做了比较 ,对提高纵向分辨率的因素进行了讨论 .

倒圆角三角型两轴柔性支撑设计

为提高压电陶瓷驱动的快速反射镜的回转精度,对倒圆角三角型柔性支撑进行研究。首先利用卡氏第二定理推导出倒圆角三角型柔性铰链柔度和回转精度理论计算公式;然后建立倒圆角三角型柔性铰链和两轴柔性支撑的有限元模型,并进行仿真分析得出柔度和回转精度的仿真值。将仿真值与理论值进行比较,其结果表明,最大误差在8%以内,验证了所推导公式的准确性。对比直圆型柔性支撑,在保证柔度的前提下,倒圆角三角型柔性支撑的回转精度提高了40%,具有重要的工程实用价值。

干涉条纹位相抖动的实时补偿

本文报道了一种干涉条纹锁定系统的原理、装置及实验结果。采用迈克尔逊干涉仪光路,通过位相锁定控制系统,实现了双光路干涉条纹位相抖动的实时补偿。实验表明,位相补偿的效果显著。

倾斜镜的性能检测

倾斜镜在恒星光干涉系统中起着矫正星光光路、保持相干光束平行的作用。倾斜镜的性能检测可从两方面进行：对于转角的检测，采用光干涉与计算机采集控制相结合的高精度检测系统；对于频响的检测，可采用光电二级管检测方法和高速ＣＣＤ检测方法。

压电薄膜自适应变形微反射镜阵列研究

介绍了自适应光学系统中的一种全新的基于Pb(ZrxTi1-xO3)(PZT)薄膜的微反射镜阵列。通过控制PZT薄膜两端电压实现微镜单元的微量形变,改变反射镜局部面形,校正畸变波面的波差,改善成像质量。该方案在重掺杂Si片基底上依次制备PbTiO3(PT)、PZT,最后镀Al作为反射面,形成Si/PT/PZT/Al的膜层结构。对制备完全的试片在数字波面干涉仪上进行了形变测试,尽管受到了薄膜热形变作用的影响,仍实现了约1.2μm的可控形变,证明该方案用做自适应变形反射镜的可行性。

压电倾斜镜传递函数辨识方法

针对光轴控制系统中广泛使用的压电倾斜镜,分析了其基本工作原理和数学模型,描述了遗传算法在模型中的辨识过程。针对大口径压电倾斜镜,搭建了频率响应测试系统,实现了对压电倾斜镜传递函数的参数辨识。对比辨识传递函数的频率响应与实际测量数据,并对系统中存在的多个谐振点的辨识精度进行分析。实验结果表明,在各个谐振点处,遗传算法获得的传递函数频率响应与实际测量数据具有较高的一致性,利用该算法得到的传递函数能更为准确地分析光轴控制系统的动态特性,有针对性地设计先进的控制算法,从而达到提高光轴控制系统性能的目的。

压电倾斜镜中堆叠式压电陶瓷驱动器动态应力计算分析

针对压电快速倾斜镜(PFSM)堆叠式压电陶瓷(PZT)(Pb(Zr,Ti)O_(3))驱动器伸长和弯曲变形的应力集中问题,依据Timoshenko模型,分析了堆叠式PZT驱动器的伸长弯曲变形模型。基于压电耦合理论分析了堆叠式PZT驱动器动态应力与驱动电压幅值、驱动电压频率和PZT驱动器顶部柔性铰链抗弯刚度的关系。采用响应曲面法获得了300 mm口径PFSM的优化设计和工作参数。研究方法和分析结果可以为优化PFSM关键元件参数,降低堆叠式PZT驱动器应力集中,提高PFSM的耐久性和可靠性提供参考和借鉴。