壓電雙晶梁在微電機(jī)及微力傳感器上的應(yīng)用研究.pdf

1、該文在對(duì)國(guó)內(nèi)外壓電式微型傳感器和微型執(zhí)行器的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入分析和研究的基礎(chǔ)上，利用壓電雙晶梁的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，將其應(yīng)用于壓電微型電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和微力學(xué)量的測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面。 主要的研究工作： 1、把壓電雙晶梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于壓電微型電機(jī)。分析了壓電雙晶梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，討論了雙壓電層雙晶梁和單壓電層雙晶梁的傳感執(zhí)行模型，重點(diǎn)分析和說(shuō)明了壓電雙晶梁在作為執(zhí)行器時(shí)所具有的對(duì)壓電結(jié)構(gòu)輸出位移能夠進(jìn)行放大的特點(diǎn)；研究了串聯(lián)型壓電雙

2、晶梁，即串聯(lián)彎曲臂的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡形成機(jī)理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的存在以及該結(jié)構(gòu)的位移放大特性，獲得了橢圓運(yùn)動(dòng)橫向和縱向位移隨電壓幅值和頻率變化的規(guī)律；首次設(shè)計(jì)了串聯(lián)彎曲臂型壓電微電機(jī)的結(jié)構(gòu)，分析了結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及驅(qū)動(dòng)原理；首次制造了兩種不同尺寸和驅(qū)動(dòng)組的串聯(lián)彎曲臂壓電微電機(jī)的樣機(jī)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了電機(jī)的性能，得到了電機(jī)的輸出空載轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)電壓幅值、驅(qū)動(dòng)電壓頻率之間的關(guān)系；研究了預(yù)緊力以及摩擦磨損對(duì)電機(jī)的輸出性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)

3、果表明，串聯(lián)彎曲臂壓電微電機(jī)的輸出性能與現(xiàn)有的同類尺寸壓電微電機(jī)比較，有了較大提高，對(duì)于直徑為5mm的樣機(jī)，其輸出空載轉(zhuǎn)速可以達(dá)到325rpm，輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到36.5μN(yùn)m。 2、對(duì)壓電雙晶梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了微型化工藝研究。研究了采用溶膠-凝膠法在硅襯底上制備PZT壓電薄膜材料的工藝，分析了襯底對(duì)薄膜質(zhì)量的影響；分析了壓電薄膜起泡和開裂的原因，并通過(guò)改進(jìn)熱處理?xiàng)l件，避免了該現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)測(cè)試分析了PZT薄膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、RC阻抗特性

4、以及鐵電性能參數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明，該文所制備的PZT薄膜沿著PZT<111>方向擇優(yōu)生長(zhǎng)、阻抗較高、有著優(yōu)良的鐵電性能；PZT薄膜的圖形化工藝對(duì)其在微器件上的應(yīng)用具有重要意義，因此該文研究了PZT薄膜的干法和濕法刻蝕工藝。通過(guò)改進(jìn)腐蝕過(guò)程，減小了濕法腐蝕造成的側(cè)蝕；并找到了一種有效的ICP干法刻蝕PZT薄膜的工藝，刻蝕效果和速率令人滿意。該文還重點(diǎn)研究了硅基PZT薄膜微型懸臂的制作工藝，找到了一種新的體硅加工硅基PZT薄膜微型懸臂的工藝流

5、程，并采用該加工路線，成功地制造出了三種尺寸的硅基PZT薄膜微型懸臂結(jié)構(gòu)，研究了在加工過(guò)程中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方法。 3、研究了微型壓電雙晶梁在微力傳感上的應(yīng)用。采用數(shù)值計(jì)算的方法，研究了硅基PZT薄膜微型懸臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，計(jì)算得到了微型懸臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)以及在集中力載荷下的電學(xué)響應(yīng)；采用MEMS有限元分析軟件CoventorWare建立了該結(jié)構(gòu)的模型，模擬并計(jì)算了該結(jié)構(gòu)在微力載荷、電壓激勵(lì)下的響應(yīng)，并通過(guò)模態(tài)分析，得到了該結(jié)構(gòu)