压电阻抗法中PZT片的形状选择研究

压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)片是压电阻抗法中普遍使用的传感器,首先,对厚度相同且面积相近的圆形、正方形、矩形、五边形、梯形PZT片对同一钢板上相同损伤及其严重程度的敏感性进行了对比。然后,利用有限元软件COMSOL对各形状PZT片主表面平面内位移进行了分析研究。结果表明:在压电阻抗法应用中,面积相同的PZT片,圆形、正方形和矩形对损伤及其严重程度的敏感性较优。矩形PZT片对损伤的敏感性具有方向性,对宽度侧的损伤更敏感。就形状这一单一因素而言,压电阻抗法中PZT片的性能差异,取决于其主表面平面内位移一致性。一致性越好,对损伤及其严重程度的识别能力越强。

PZT厚膜的电射流沉积研究

制备了锆钛酸铅(PZT)悬浮液,采用电射流沉积(EJD)技术,在硅衬底上沉积了PZT厚膜。研究了电射流沉积高度、流量及悬浮液混合条件对厚膜致密性的影响。结果表明:降低电射流沉积高度和流量有助于提高沉积PZT厚膜致密性;采用球磨方法充分混合PZT悬浮液,沉积的PZT厚膜致密性明显提高。采用优化的电射流沉积参数和球磨20 h的PZT悬浮液,制备了10μm无裂纹PZT厚膜,其压电常数d33为67 p C·N-1,相对介电常数εr为255。

利用体块PZT制备膜片式压电微泵

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应,设计并制备了膜片式压电微泵。通过将电能转换为机械能,实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成;微驱动器主要为液体流动提供驱动力,单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析,确定了微驱动器的设计尺寸,并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后,设计了驱动测试实验,检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明:所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70kHz,能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30Vp-p、频率为600Hz时,液体的驱动流速约为65μL/min。该微泵具有体积小,线性度好等特点。

PZT厚膜的电雾化沉积与溶胶渗透研究

制备锆钛酸铅(PZT)悬浮液,采用电雾化沉积(EHDA)技术,在硅衬底上沉积PZT厚膜,研究溶胶渗透工艺对电雾化沉积PZT厚膜的致密性与电学性能的影响。结果表明:经过2C+1S溶胶渗透工艺处理的PZT厚膜致密性与电学性能得到明显提升,在50 kHz测试频率下厚膜的残余极化强度Pr和相对介电常数εr分别由溶胶渗透前的7.3μC·cm^(-2)和186提升为溶胶渗透后的16.1μC·cm^(-2)和400。

基于MEMS与压电陶瓷钎焊的微型超声电机

面向超声电机定子的一体化与微型化需求,提出了一种基于钎焊与微电子机械系统(MEMS)工艺的微型超声电机定子。对超声电机的原理和结构进行分析,利用有限元法对定子的模态与谐响应进行了仿真。利用钎焊工艺将锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷与金属弹性体进行连接,通过MEMS与机械加工工艺对定子的驱动足、上电极等进行制备。对超声电机定子焊接情况进行表征,对超声电机的振动性能与驱动性能进行测试。测试了PZT压电陶瓷与金属弹性体的结合强度,两者之间的抗剪切强度为33.46 MPa,观察了焊接截面形貌,可看出各焊接层厚度均匀,无裂缝、孔隙。搭建实验平台对定子的振动性能与驱动性能进行了测试,微型超声电机的定子的谐振频率为188.15与266.16 kHz,最大振幅为228 nm,在激励电压为30 V、预压力为350 mN时,微型超声电机的最大速度为38.22 mm/s。实验结果表明,该超声电机定子钎焊情况良好,驱动性能较高,具有广阔的应用前景。

传感元件损伤与脱层对阵列式压电模态传感器的影响

通过实验模拟压电传感器阵列在工作中易出现的传感元件破裂和脱粘损伤,探究传感元件损伤和脱粘对阵列式压电模态传感器输出的影响。在固支梁表面均匀布置一组圆形的锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)片,将实验曲率模态作为加权系数设计阵列式压电模态传感器。对比研究模态传感器的输出在传感元件损伤前后的变化。实验结果表明:当不同位置的PZT出现不同程度的破裂时,阵列式压电模态传感器仍有很好的滤波效果;而当传感元件脱粘时,某些阶的模态传感器无法正常工作,这与传感元件的脱粘程度以及脱粘位置有关。

基于激光切割的叉指结构悬臂梁式压电振动能量采集器

为了拓宽有效的输出带宽,通过激光切割法进行加工,设计并制备了一种具有叉指结构的锆钛酸铅(PZT)悬臂梁式压电振动能量采集器(PVEH)。仿真结果显示,相比常规的悬臂梁式PVEH,具有叉指结构的悬臂梁式PVEH拥有更低的一阶固有频率以及更多的输出电压峰值。利用双通道示波器、函数信号发生器、振动台、加速度计和功率放大器等搭建测试平台,对制备的悬臂梁式PVEH进行测试。结果表明,在0.5g加速度的条件下,常规的悬臂梁式PVEH的固有频率为30.80 Hz,输出电压峰值为4.88 V;具有叉指结构(叉指数目为8且叉指长度为40 mm)的悬臂梁式PVEH具有4个固有频率,分别为17.70、37.30、74和81 Hz,对应的输出电压峰值分别为7.28、3.07、0.366和0.084 V。通过对比研究发现,具有叉指结构的悬臂梁式PVEH的一阶固有频率降低了42.53%,一阶输出电压峰值提升了49.18%,实现了性能的有效提升。

菱形微位移压电作动器的输入输出线性建模

针对某定位装置的位移输出问题,研究了一种新型菱形微位移压电作动器,该压电作动器包括压电陶瓷、菱形微位移放大机构以及柔性铰链部分。对菱形微位移放大机构的放大系数进行了分析,发现该放大机构具有把压电堆的原始位移输出从30μm放大到100μm的能力,放大倍数与菱形环自身夹角θ有关,并且在压电堆输出范围内为比例放大,这些结果可以为更大放大系数的菱形环设计提供依据。建立了该菱形微位移压电作动器输入输出关系的理论线性模型,并将线性模型的模拟结果与实验结果进行了对比,证明该压电作动器线性模型具有较好的精度,能比较准确地反映微位移压电作动器的输入输出关系。

大行程精密定位平台偏摆误差的补偿方法

精密定位平台在导轨动连接处刚度较差,在高速高动态工作中这里易产生偏摆振动。为了减小偏摆误差对定位平台的影响,提高定位精度,通过对直线电机驱动、气浮导轨支撑和导向的高精度定位平台进行研究。根据定位平台偏摆误差的动态特性,采用偏摆误差补偿方法,设计一种偏摆误差检测系统,采用平尺和微位移传感器相结,具有高频响、非接触式的特点。设计了一种基于压电陶瓷驱动的x,y两维微位移补偿机构。同时,通过将气浮导轨滑块副简化成弹簧、质量和阻尼相结合的系统,推导出了定位平台两自由度的偏摆振动模型。基于误差补偿系统的偏摆误差补偿实验表明,精密定位平台的定位精度得到了较大提高,定位平台的定位精度优于2μm。