新型壓電微驅動器在光學微機電系統(tǒng)中的應用研究.pdf

1、隨著MEMS(微機電系統(tǒng))技術的高速發(fā)展,MEMS器件對驅動器材料的結構和性能有著越來越高的要求。MEMS壓電驅動器由于體積小、速度快、能量密度高等優(yōu)點在光學微機電系統(tǒng)領域已經越來越受到重視。所以,對MEMS壓電驅動器的優(yōu)化設計以及應用研究對MEMS的發(fā)展具有重要的實際意義。本課題主要通過優(yōu)化壓電驅動器的幾何結構以增強其驅動品質。提出了計算優(yōu)化結構的彎曲剛度及驅動力的解析方法;采用有限元模擬方法,驗證了該解析方法的有效性及優(yōu)化結構的優(yōu)良

2、特性。此外,采用新型PMN-PT(鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛)單晶巨壓電材料于優(yōu)化結構中,進一步增強了其工作性能。主要研究工作包括以下幾個方面:
　　 (1)設計出“力學聚焦型”及“彎曲-力學聚焦型”懸臂梁式壓電驅動器,采用歐拉-伯努利理論,分別推導出計算聚焦結構和彎曲-聚焦結構的彎曲彈性系數(shù)解析公式。其中用于計算單層聚焦結構及單層彎曲聚焦結構的彎曲彈性系數(shù)公式同樣可以用于計算其它類似結構。通過解析計算方法和有限元方法,比較了兩種驅動結構

3、的特點。研究表明,在相同驅動器尺寸及相同外加電壓條件下,彎曲聚焦型驅動器與聚焦結構相比,在犧牲了一定驅動力情況下產生了更高的位移。通過有限元分析方法,證明了計算彎曲彈性系數(shù)方法的有效性以及優(yōu)化結構的驅動特性。
　　 (2)為了進一步改進驅動器性能,采用新型PMN-PT單晶壓電材料用于所設計驅動器中,并與PZT(鋯鈦酸鉛)驅動器作了比較。研究表明,在具有同樣幾何結構和大小的前提下,PMN-PT驅動器位移高于后者數(shù)倍,驅動力也明顯提

4、高,表現(xiàn)出更好的驅動性能。
　　 (3)作為所設計驅動器在光學微機電系統(tǒng)中的應用,研究了具有力學聚焦機制的單層壓電片驅動器用于自適應光學系統(tǒng)(簡稱AO,AdaptiveOptics)微變形鏡的可行性。分析了微變形鏡的位移遷移率。證明了聚焦型驅動器與簡單懸臂梁驅動器相比具有更高的驅動效率。
　　 (4)設計出采用PMN-PT彎曲-力學聚焦型驅動器的層狀光柵干涉儀。在2mm×2mm尺寸下,設計了干涉儀的具體結構參數(shù);研究了在