关于压电微型驱动器在微机电系统方面的应用总述.doc

光学 精密工程Optics and Precision Engineering关于压电微型驱动器在微机电系统方面的应用冯盼盼（上海大学 机械自动化学院 精密仪器及机械系 上海 ） 摘 要：为了更好的实现压电微型驱动器在微机电系统方向的应用，而进行的有关其结构、工作原理的探讨及其在社会科学领域等各方面的应用和最新进展等的研究。首先介绍了微机械技术的发展，然后说明了压电微型传感器的构造、工作原理以及微机电系统的相关信息，最后着重介绍压电微型驱动器与微机电系统相联系的若干应用，得出结论压电微型驱动器有着与微机电系统相匹配的结构及功能特性，有着广阔的发展前景。关键词：压电微型驱动器；微机电系统；控制Application about miniature piezoelectric drives in electromechanical systemsFENG Pan-pan （SchoolofMechatronicsEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China）Abstract: In order to better realize the piezoelectric micro drive in the direction of micro-electromechanical systems, and explore about its structure, working principle and its application in the social sciences and the latest progress of the study. The development of micro-mechanical technology is first introduced, and then introduce miniature piezoelectric sensor structure, working principle, as well as information about micro-electro-mechanical systems, and finally focuses on a number of associated applications of piezoelectric micro drives and microelectromechanical systems, concluded that piezoelectric micro drives have the same match of the structural and functional characteristics with micro-electro mechanical systems and has broad prospects for development.Key words: Piezoelectric micro drive; micro-electro mechanical systems; control1 引言80 年代后期崛起的微机械技术对于国民经济和国防科技的未来发展将有着重要的意义，已成为国际上的一个热门课题。 微机械的含义包括了结构尺寸或运动操作尺度从数毫米到纳米量级范围内的微小机电装置。它的研究将涉及: 微机构的设计、选材、加工及装配技术的研究; 微驱动器、微传感器、微控制器的研制; 微机械系统技术(运动的控制、能量的供给及传输等)的研究; 微细几何量、机械量的测试技术的研究等诸方面。其中微驱动器既可构成微机械的动力部分,亦可成为微机械的操作或执行机构。所以说，微驱动器是微机械技 术研究的核心内容。 国内外的著名大学和实验室都将有关微驱动器的设计、加工制造技术、测控技术等的研究作为微机械研究的一个重点方向和突破口。微驱动器作为一种换能器，它将电、光、热等多种形式的能量转换成为机械能输出。 因此,它有多种不同的工作原理和结构形式。若从能量转换形式分类,有静电驱动、电磁驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动、光驱动、凝胶驱动、热驱动以及超导驱动等形式。若按其输出运动的形式分类,则有线位移式、回转式和尺蠖式等。微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。2 压电微型驱动器的工作原理和性能特点2.1 压电微型驱动器的工作原理压电驱动器利用的是压电陶瓷的压电逆效应原理，当在其两端施加与其极化电压极性相反的电压时，压电陶瓷就会缩短，如果施加与其极化电压极性相同的电压时，压电陶瓷便会伸长但总体积不变，如图1所示，施加交流电压时，将交替地伸长和缩短。压电驱动器驱动位移随电压变化曲线如图2所示1，所以，通过控制压电陶瓷两端施加的电压，便可控制其位移输出。图1 压电逆效应示意图Fig.1 Piezoelectric inverse effect diagram图2 压电驱动器电压一位移曲线Fig.2 Voltage-displacement curve of piezoelectric drive图3为研制成功的压电型微驱动器实物图,图4为微驱动器的构成框图。 压电型微驱动器本体通常由压电陶瓷和微纳米传动机构组成，为获得在有限的体积内有较大的输出，选用了层叠型压电陶瓷为换能元件，通过控制其电场强度,压电陶瓷所产生的形变经机构传动成为一种可控的输出位移或运动。传动机构的作用是将压电陶瓷十分微小的形变予以传动且增幅，满足驱动器输出位移或运动的要求，采用显微镜+CCD (电荷耦合器件)、A/D和PC机构成的高精度检测装置，检测驱动器的输出位移，由PC机、D/A和精密直流放大电路组成的控制部分，通过控制引起压电陶瓷形变大小的电场强度，最终控制驱动器的输出。这样，由驱动器本体、检测部分(显微镜+CCD+ A/D+ PC机)、控制部分(PC机+D/A+精密放大电路)构成了一个闭环控制系统，满足和达到了微驱动器的各项工作性能指标。图3 压电微型驱动器Fig.3 Piezoelectric micro drive图4 驱动器的构成框图Fig.4 Configuration block diagram of the drive该驱动器的基本工作原理为：压电驱动的工作原理是基于压电体具有逆压电效应: S = d33 E(其中: S为应变; d33为逆压电系数;E为电场强度)，即当压电体受电场作用时会产生形变。与其他形式的驱动相比，压电驱动具有的最大特点是为微米、纳米量级的位移或运动提供了新手段和新途径。同时,压电驱动具有线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、不发热、无噪声等优点，所以，压电驱动已成为一种理想的微位移驱动技术，具有很大的发展前途。3.2 压电微型驱动器性能和特点压电微型驱动器特点2如下：(1) 不需传动机构,位移控制精度高,可达0.01um。(2) 响应速度快,约为10us,无机械吻合间隙,可实现电压随动式位移控制。(3) 有较大的力输出,约为3.9KN/cm2 。(4) 功耗低,比电磁马达式的微位移器低1个数量级,并且当物体保持一定位置(高度) 时,器件几乎无功耗。(5) 它是一种固体器件,易于电源、侧位传感器、微机等实现闭环控制，并且磁控合金和温控形状记忆合金等其他位移器件体积要小得多。压电微型驱动器性能如下：采用单板型压电陶瓷PZT,1cm厚的PZT要想得到10um左右的驱动位移,则两端需要施加5KV3的电压。给PZT施加如此高的电压,可能会使绝缘击穿而引起机械的破坏,发生危险。因为压电陶瓷的变形量与厚度无关,由此人们开发出了层叠式压电驱动器。如图3所示,将压电陶瓷做成很薄的薄片(现在已经能制造出了0.05mm的压电陶瓷薄片),将多片压电陶瓷片,采用机械上串联、电路上并联,然后烧结在一起的方式制成。这样,给它施加数百伏的电压便可得到很大的驱动位移。以我国电子工业部第二十六研究所制造的WTDSIK型压电驱动器为例,尺寸7525mm,施加300V电压,驱动位移大于10um。Fig.3 Stacked piezoelectric actuators3 微机电系统与压电微型驱动器关联性3.1 微机电系统微机电系统MEMS, Micro-Electro-Mechanic System是一种先进的制造技术平台。它是以半导体制造技术为基础发展起来的。MEMS技术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，因此从制造技术本身来讲，MEMS中基本的制造技术是成熟的。但MEMS更侧重于超精密机械加工，并要涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。3.2 微机电系统特点MEMS的特点是： 1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。 3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。 4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。 5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。 MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。21世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。3.3 微机电系统与压电微型驱动器的关联性微机电系统（MEMS）侧重于超精密机械加工，并要涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域; 压电微型驱动器设计中，柔性铰链连杆机构为一种无间隙、无机械摩擦微纳米传动机构,在精密机械有关微传动设计中，新增了一种新的传动机构，同样是侧重于精密机械加工。微机电系统重量轻，尺寸小，很少占用地方，可以在一般的机器人到不了的狭窄场所或条件恶劣的地方使用；压电型微驱动器系平面整体结构,体积小,结构简单,其最大输出位移可达 50100m,位移分辨率0.3m,控制重复精度1m,可视不同用途，极方便地加以改型设计而构成不同形式的微位移装置或操作执行机构(如微型镊子、微型机械鱼等)，同样在“微”方面，有着很大的优势，很大的发展潜力。同时，压电微型驱动器可用于在超精密测量、超精密定位、超精密机械加工、微型机械等方面。如：表面分析仪器即扫描隧道显微镜（STM），其扫描头便由三个相互垂直的压电陶瓷组成，STM可用于三维扫描。具有极高的空间分辨能力（平行方向的辨率为0.04nm，垂直方向的分辨率达到0.01nm）；清华大学开发的以单轴柔性铰链作为机械传动机构的压电驱动微动工作台，如图45所示；作为驱动部件，压电陶瓷在微型机械当中应用非常广泛。广东工业大学与日本筑波大学合作，已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器，其位移范围为10um10um，位移分辨率为0.01um，精度为0.01um，用于微型机器人的驱动；长春光学精密机械研究所研制出直径为的压电超声马达；日本东京大学工科研究所研制出利用压电陶瓷快速变形的冲击驱动机构（IDM），并通过IDM制成了两种类型的微机器人（一种为三自由度，另一种为四自由度）。在机器人的端部最小步进运动小于0.1nm，最大速度大于2mm/s，并将它们成功的用在对细胞的操作中。图4 微动工作台Fig.4 Micro workbench4 压电微型驱动器在微机电系统的应用实例4.1 具有3D结构的压电式微驱动器及其微制造工艺随着科学技术的发展,许多领域越来越迫切需要微驱动系统和微位移系统，微执行器和电机在各种伺服控制系统中能够提供高精度的定位和补偿能力，在此，给出了一种配置有H形状空腔和一对具有高深宽比平行悬臂梁的微执行器，它具有3D的结构，能够提供面内灵敏度和面外刚度。 图5 执行器的悬臂梁横截面结构图Fig.5 The actuator cantilevers cross-sectional configuration diagram图5所示为执行器的悬臂梁横截面结构图，它由上电极、PZT压电薄膜、下电极、二氧化硅层和硅基板组成。上电极分开在悬臂梁上形成两个压电元件，当四个压电敏感元件同时通入控制信号，那么两个平行悬臂梁将产生振动从而产生平行方向的移动。试验结果证明硅微制造技术和压电薄膜相结合，可以提供制造复杂微型压电设备的一种合适方法。执行器能够提高其面内灵敏度和面外刚度，基于硅基板的微制造工艺应用于执行器模型之中是非常成功的，是压电执行器在微机电系统方向的有益尝试。4.2 合成射流激励器合成射流激励器（Synthetic jet actuator）是国际上近几年提出的一种全新的流动控制技术，是压电驱动器与微机电系统微尺度下的力、电、表面等物理学的各分支的综合运用。其基本原理是在流动壁面内设置开缝（或孔）的密封腔，利用压电材料的振动，在缝隙处产生连续不断向外扩展的一系列非定常涡对（或涡环），它对主流的作用类似于一股射流，从而达到主动流动控制的目的。用于流动方向控制典型的合成射流及其形成的射流流场如图6所示。外国一众的科研机构和院校正在对它进行机理、实验和应用方面的研究。国内相关研究才刚刚起步，主要是机理性研究。图6 合成射流示意图及实验纹影图Fig.6 Schematic of synthetic jet and schlieren of synthetic jet合成射流的能量水平（旋涡对强度、速度）不仅取决于金属薄膜振动所消耗的电能，而且还与驱动信号的频率、振幅及激励器腔体的结构设计等有关，因此有可能消耗较少的电能而获得较强的合成射流，这就需要合理设计合成射流激励器。4.3 压电双晶片驱动器压电双晶片驱动器是一种应用很广的压电陶瓷元件，广泛应用于超声马达、继电器、流体驱动与控制机构(如压电泵、压电阀、压电风扇、压电微液滴喷射器)及压电智能结构(如压电阻尼器、智能悬臂梁)等方面。近年又用于微型机器人及微控制器中，同时它也是开发MEMS(微机械电子系统)的关键元件10。下面介绍几种以双晶片作为驱动源的驱动装置。压电双晶片驱动马达是利用压电双晶片的弯曲振动作驱动源，通过简单的机械装置，驱动转子作连续旋转运动的驱动器。压电双晶片驱动马达结构11如图7所示；图8是澳大利亚Southampton大学I拘Michael Koch等人20研制的一种厚PZT膜(100um)驱动薄膜微型泵。它在泵膜上直接加工了压电薄膜，最大流量达120uLmin，最大背压为2kPa。图7 压电双晶片马达Fig.7 Piezoelectric bimorph motor图8 微型压电泵Fig.8 Miniature piezoelectric pump4.4 压电陶瓷驱动球基微驱动器球基微操作器集精密驱动与精密操作于一体，它既具有体积小、重量轻的特点，又能实现微纳米级精度的定位控制，而且能实现空间复杂的扫描运动. 德国在开展MiniMan系列机器人的研究过程中所开发的球基微操作器13，可以驱动微执行器完成空间多自由度的扫描运动并在显微镜下实现面500um微型行星齿轮减速器的装配、花粉细胞分离等精密微作业。日本的Fuchiwaki及其他教授在研究微型桌面装配工厂过程中，所研制开发的球基微操作器，也顺利实现了200um微型轴孔的精密装配14。作者在开展面向MEMS精密作业的微小型机器人系统的研究过程中，开展了对球基微操作器的运动学、振动等方面研究15、17图9 球基微操作器照片Fig.9 Photo of spherical micromanipulator球基微操作器照片如图9所示，它由球基微驱动器与微夹持器组成。微驱动器采用三个微驱动单元成空间120。安装支撑金属球的对称式结构，尺寸为30 mm30 mm50 mm，微驱动单元采用柔性铰链实现无间隙微位移传递15，压电陶瓷作为微驱动元件安装在柔性铰链内并驱动其输出微位移与力16. 图9是利用该微驱动器所集成的球基微操作器，在显微视觉以及三维微力传感器所组成的力视觉混合控制下，实现180um的微型轴与200um的微型孔之问的精密微装配的实验研究结果。(1)微驱动器的分辨率可达0.0001，转动定位精度可达0.0005，由微驱动器集成的微操作器末端定位精度可达微米级。逆转振动特性决定了其定位精度、运动速度等微驱动特性。(2)微驱动器逆转振动特性与微驱动器金属球的质量、金属球与位驱动单元接触表面的摩擦系数以及驱动信号的频率密切相关，信号频率越高，微驱动器振动噪声越大，振动也越明显，当驱动信号频率高于1200Hz时，容易引起金属球出现无规律运动，导致微驱动器精密定位运动失效。(3)金属球与微驱动单元摩擦块接触表面越光滑(摩擦系数越小)，微驱动器定位精度就越高，金属球运动轨迹就越规则。(4)由该微驱动器所集成的微操作器可以满足对多种MEMS等微小元器件的精密微操作任务。图10 型轴孔装配过程Fig10 Micro assembly process of micro shaft and micro spindle sleev。5结论本文通过介绍压电微型驱动器与微机电系统的结构及工作原理等，然后通过一系列的应用组合，比较深刻地展示出二者之间的联系，为以后进一步探索他们的应用奠定基础。微驱动器作为微机械电子系统的核心部件，一直是微型机械电子系统(MEMS)的研究热点。压电微驱动器是利用压电材料的逆压电效应，把电能转化成机械能的换能器，由压电驱动器构成的微位移系统以其体积小、承载力大、效率高、位移分辨率高、不产生噪声等优良特性，已经在超精密加工、微电子工程、微细作业系统、微型机械等领域中得到广泛的应用。目前在国内外的科研机构和企业正大力开展这方面的研究和促进其成果产业化。利用压电驱动器分辨率高、响应快等动态特性，可将其制作成超声波发生器件，如超声波物化器件、压电超声马达等。利用其控制精度高的静态特性，开发了微动工作台等超精密定位装置。随着人们开发出了性能优越的柔性铰链，便可利用柔性铰链制作位移放大机构，将压电陶瓷驱动器产生的微小位移进行放大，从而使压电驱动器的应用领域大大拓宽，尤其在精密机械的设计与制造中，应用较为广泛，开发出了如微位移精密工作台、微型机器人等机械产品。可以预料，随着高新技术的发展，压电驱动器在机械工程中的应用将会更加广阔。参考文献：1 杨国利.压电驱动器的研究与应用进展 J.内蒙古煤炭经济,2009，16(4): 337-340. 2 孙立宁，等改善电致伸缩陶瓷微位移器性能的研究J.中国机械工程,1994, 5（2）：67.3 陈大任压电陶瓷微位移驱动器概述J.电子元件与材料，1994，13（1）:27.4 泽岡昭.电子材料M.森北出版株式会社,1999.5 李玉和李庆祥，等.单轴柔性铰链设计方法研究M.清华大学学报，2002, 42（2）:172174.6 Peng Gao, KuiYao, Xiaosong Tang, Xujian He, Santiranjan. 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