基于PLZT陶瓷的光电-静电扭转驱动原理及驱动性能研究

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微(小)型精密驱动技术是微机电系统(MEMS)和微光机电系统(MOEMS)等高新技术产业向微、精、尖方向不断发展的关键技术。传统驱动方式如静电驱动、压电驱动、电热驱动和电磁驱动普遍存在导线连接、外接激发电源、独立性较差及易产生电磁干扰等缺陷。基于镧改性锆钛酸铅(PLZT)陶瓷的光电-静电复合驱动与传统驱动方式相比,具有无需外接激励电磁源、无电磁干扰、远程光控、无线能量传输等优点,适用于真空独立环境空间或密闭洁净环境空间中的远程非接触操作。本文以基于PLZT陶瓷的光电-静电扭转驱动方法在微驱动领域的应用为背景,采用理论分析、仿真分析和实验验证等方法,研究了在光源激励下PLZT陶瓷的多物理场耦合、分析了外加物理场产生的影响,提出了一种基于PLZT陶瓷的光电-静电扭转驱动方法、开展了其数学模型及可行性的分析、驱动性能的研究、并实验论证了包括光源和尺寸等因素给驱动性能带来的影响变化,最后进行了光电-静电扭转驱动的闭环控制研究,旨在为光控智能材料PLZT陶瓷在微驱动等工程领域的应用提供理论参考。在波长为365nm紫外光源的激励作用下,对PLZT陶瓷产生的反常光生伏特效应、热释电效应和压电效应等机理进行了揭示,并建立了在光照阶段和光停阶段的PLZT陶瓷多物理场耦合数学模型。在对PLZT陶瓷光子能量理论分析的基础上,提出了包含外加偏置电场作用下的光致多物理场耦合模型并进行了实验验证;实验结果表明,外加电场并不会影响PLZT陶瓷在光照和光停阶段的光致形变量,进而验证了所提出的模型的准确性。结合光源激励方案,提出了基于PLZT陶瓷的光电-静电扭转驱动方法。将静电驱动扭臂式结构作为驱动负载,分别给出了基于PLZT陶瓷单晶片和双晶片的光电-静电扭转驱动方式;并对基于PLZT陶瓷单晶片的光电-静电扭转驱动方式进行了动态响应分析。构建了光电-静电扭转驱动电压、扭转角及驱动位移的数学模型;依据光电-静电扭转驱动器的尺寸参数,计算出驱动器达到临界状态时的驱动电压。以PLZT陶瓷的静态光生电压及其电学模型为基础,利用数值计算及仿真分析,得出不同光照强度下驱动器的驱动电压及驱动位移随时间变化曲线;同时对驱动器在临界状态和稳定状态下的应力和固有频率进行了有限元仿真计算,验证了所提出的光电-静电扭转驱动方法的有效性和可靠性。在PLZT陶瓷自身电学模型基础上建立光电-静电扭转驱动等效电学模型,推导出光电-静电扭转驱动电压及时间常数的表达式。采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料及铜箔,加工了光电-静电扭转驱动器,并搭建了驱动性能实验平台。根据光电-静电扭转驱动等效电学模型和实验结果得到了不同光强下光电-静电扭转驱动器的驱动电压以及输出位移随时间的变化规律;结果表明,光电-静电扭转驱动器的驱动电压与输出位移间并不存在迟滞现象,因此驱动器具有较快的响应速度。通过光电-静电扭转驱动器输出位移的理论曲线和实验曲线的对比,验证了光电-静电扭转驱动数学模型的正确性。实验测试了不同负载情况下驱动性能的变化规律,结果表明,铜箔长度越小,驱动电压越大,响应速度越慢。基于所构建的光电-静电扭转驱动数学模型,对PLZT陶瓷以及静电负载的尺寸、铜箔不同的位置等因素对光电-静电扭转驱动性能的影响进行了理论及实验分析。分析结果表明,同一极化条件下尺寸较大的PLZT陶瓷作为驱动源时,驱动器的驱动电压和输出位移均更大,响应速度也更快;扭臂长度增加或宽度减小时,驱动器输出位移会增加,但是驱动电压及响应速度均保持不变;极板间距减小时,驱动电压减小,响应速度加快,静电力与输出位移则需具体分析;驱动电压和响应速度不会随铜箔位置的变化而变化,但是铜箔左侧粘贴时的输出位移要小于铜箔右侧粘贴时的输出位移。基于光电-静电扭转驱动性能,分别以光电-静电扭转驱动器的驱动电压和输出位移为控制对象,开展了闭环控制策略的原理性研究。构建了光电-静电扭转驱动器的驱动电压ON-OFF闭环控制理论模型,并对该控制模型进行了参数识别,分别得到了在不同光照强度下驱动器在光照阶段和光停阶段的驱动电压表达式。依据所提出的ON-OFF闭环控制仿真流程,分别开展了光电-静电扭转驱动器不同目标电压下和不同目标位移下的闭环控制仿真。结果表明,驱动电压和输出位移闭环控制均具有良好的控制效果,验证了所提出的ON-OFF控制策略的有效性。本文的研究内容验证了基于PLZT陶瓷的光电-静电扭转驱动方法的可行性,并对其驱动原理及驱动性能进行了论证,为PLZT陶瓷在MEMS和MOEMS等工程领域中的应用奠定基础。
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