一種新型壓電薄膜驅動微定位平臺分析與建模研究.pdf

1、微/納定位技術是微/納米制造、微觀成像、納米壓印、硬盤高密度數據存儲及光刻等諸多行業(yè)的核心共性技術，但隨著相關精密工程及技術領域的飛速發(fā)展，對微納定位系統的性能及結構尺寸等提出了苛刻要求。特別是在內窺鏡光學相干斷層掃描、高密度光存儲等新興應用場合，微定位平臺的緊湊結構、多自由度運動與高響應速度的設計成為關鍵。傳統壓電疊堆驅動器，因其尺寸的限制很難滿足相應領域的應用需求;而壓電薄膜驅動器作為驅動元件，具有結構緊湊、能量密度高、可靠性高、分

2、辨率高和頻響高的優(yōu)點，在相關領域的研究中得到了越來越廣泛的研究與重視。本文結合柔性鉸鏈結構與壓電薄膜驅動器，設計了一種新型三維壓電薄膜驅動微定位平臺，其通過彈性變形實現多維運動定位，具有結構緊湊、無摩擦、無沖擊等優(yōu)點。文中針對壓電薄膜驅動器和壓電薄膜驅動微定位平臺進行了設計、建模和仿真研究，具體研究內容如下:
　　基于壓電材料特殊的機電耦合特性，研究了壓電薄膜驅動器的驅動機理，并完善了壓電薄膜驅動器的理論分析模型。根據力平衡條件下

3、的歐拉-伯努利梁理論和壓電本構方程建立壓電薄膜梁驅動模型。在此基礎上，考慮到壓電薄膜位置和長度以及負載形式和作用位置的不同，推導出一般情況下的壓電薄膜驅動器的輸出模型。此外，結合梁自由振動模型，得到了壓電薄膜驅動器的動態(tài)響應。
　　本文引入柔性鉸鏈結構設計了一種新型三維壓電薄膜驅動微定位平臺，并且提出了一種壓電薄膜驅動微定位平臺整體輸出位移的理論建模方法。根據彈性梁的柔度矩陣方法，推導得到微定位平臺的整體柔度模型;然后，綜合壓電薄

4、膜梁模型和平臺柔度模型得到平臺的整體輸出模型。同時，將多維壓電薄膜驅動微定位平臺系統等效為多自由度彈簧-質量系統，然后根據完整系統的拉格朗日第二類方程，建立了壓電薄膜驅動微定位平臺的動力學模型。
　　為了驗證上述壓電薄膜驅動器和微定位平臺的理論分析模型，本文通過有限元方法分析了壓電薄膜驅動器和壓電薄膜梁驅動微定位平臺特性，并且將有限元仿真仿真結果和理論分析結果進行了對比。對比結果表明了所提出的壓電薄膜驅動器和壓電薄膜驅動微定位平臺