一種新型壓電薄膜驅(qū)動(dòng)微定位平臺(tái)分析與建模研究.pdf

1、微/納定位技術(shù)是微/納米制造、微觀成像、納米壓印、硬盤高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及光刻等諸多行業(yè)的核心共性技術(shù)，但隨著相關(guān)精密工程及技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)微納定位系統(tǒng)的性能及結(jié)構(gòu)尺寸等提出了苛刻要求。特別是在內(nèi)窺鏡光學(xué)相干斷層掃描、高密度光存儲(chǔ)等新興應(yīng)用場(chǎng)合，微定位平臺(tái)的緊湊結(jié)構(gòu)、多自由度運(yùn)動(dòng)與高響應(yīng)速度的設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵。傳統(tǒng)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器，因其尺寸的限制很難滿足相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用需求;而壓電薄膜驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)元件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量密度高、可靠性高、分

2、辨率高和頻響高的優(yōu)點(diǎn)，在相關(guān)領(lǐng)域的研究中得到了越來(lái)越廣泛的研究與重視。本文結(jié)合柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)與壓電薄膜驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)了一種新型三維壓電薄膜驅(qū)動(dòng)微定位平臺(tái)，其通過(guò)彈性變形實(shí)現(xiàn)多維運(yùn)動(dòng)定位，具有結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)摩擦、無(wú)沖擊等優(yōu)點(diǎn)。文中針對(duì)壓電薄膜驅(qū)動(dòng)器和壓電薄膜驅(qū)動(dòng)微定位平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、建模和仿真研究，具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　基于壓電材料特殊的機(jī)電耦合特性，研究了壓電薄膜驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，并完善了壓電薄膜驅(qū)動(dòng)器的理論分析模型。根據(jù)力平衡條件下

3、的歐拉-伯努利梁理論和壓電本構(gòu)方程建立壓電薄膜梁驅(qū)動(dòng)模型。在此基礎(chǔ)上，考慮到壓電薄膜位置和長(zhǎng)度以及負(fù)載形式和作用位置的不同，推導(dǎo)出一般情況下的壓電薄膜驅(qū)動(dòng)器的輸出模型。此外，結(jié)合梁自由振動(dòng)模型，得到了壓電薄膜驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
　　本文引入柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型三維壓電薄膜驅(qū)動(dòng)微定位平臺(tái)，并且提出了一種壓電薄膜驅(qū)動(dòng)微定位平臺(tái)整體輸出位移的理論建模方法。根據(jù)彈性梁的柔度矩陣方法，推導(dǎo)得到微定位平臺(tái)的整體柔度模型;然后，綜合壓電薄

4、膜梁模型和平臺(tái)柔度模型得到平臺(tái)的整體輸出模型。同時(shí)，將多維壓電薄膜驅(qū)動(dòng)微定位平臺(tái)系統(tǒng)等效為多自由度彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，然后根據(jù)完整系統(tǒng)的拉格朗日第二類方程，建立了壓電薄膜驅(qū)動(dòng)微定位平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型。
　　為了驗(yàn)證上述壓電薄膜驅(qū)動(dòng)器和微定位平臺(tái)的理論分析模型，本文通過(guò)有限元方法分析了壓電薄膜驅(qū)動(dòng)器和壓電薄膜梁驅(qū)動(dòng)微定位平臺(tái)特性，并且將有限元仿真仿真結(jié)果和理論分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明了所提出的壓電薄膜驅(qū)動(dòng)器和壓電薄膜驅(qū)動(dòng)微定位平臺(tái)