微机电系统用压电驱动器的发展及应用

　　1　引　　言

　　微机电系统是微电子技术的拓宽和延伸,它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合,实现了微电子与机械融为一体的系统。它是20世纪80年代末兴起的新型学科,在工业、国防、信息和通讯、航空航天、医药和生物工程、农业等领域有着广泛的应用和巨大的前景[1,2]。微机电系统主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路。执行器在整个系统中起着关键的作用,它的功能是利用不同的原理与执行机构来产生力并实现位移。微驱动器是一种典型的微型执行器,它是将电、光、热等多种形式的能量转换为机械能输出的换能器,有着多种不同的工作原理和结构形式。从能量转换形式分,有静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热驱动及超导驱动等。与其他微驱动器相比,压电驱动器是利用高能量密度压电陶瓷的逆压电效应和弹性体的超声振动,将微观变形通过共振放大和机电耦合转换成机构的宏观运动,因此它具有线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、无噪声、无电磁干扰、低电压驱动及易于微型化的优点[3]。

　　2　国外压电驱动器的发展及应用

　　20世纪90年代初,在静电微驱动器和电磁型驱动器研究受阻后,国外很多学者开始转向压电驱动器的研究。首先日本在这个领域的研究最为活跃而富有代表性。Takeshi Morita等人在1997年到2000年间分别研制出4种筒状压电驱动器,较为典型的结构如图1(a)所示。该类型驱动器有一个柱状定子换能器和一至两个转子。极化方向沿壁厚方向,即由壁外指向壁内。筒内外表面均匀分布4个电极,内表面为地电极。定子换能器使用有90度相差的交流电源驱动。定子换能器的振动如图1(b)所示。它是利用圆筒上端面的行波驱动转子旋转,此类驱动器用于微机器人的关节部位,可提起10g的物体[4]。

　　日本佳能公司利用压电多层叠片堆制作了工作频率为40kHz,最大工作效率为55%,输出转速为800 r·min21的压电驱动器,它大大降低了驱动电压,不需要变压器,有利于驱动源的集成化。随着压电驱动器在微驱动领域的发展,其尺寸也越来越小。东京工业大学制作了外形尺寸为4mm×3mm×8.5 mm的微驱动器,可实现扭转振动使圆球旋转,并输出0.1N·mm的转矩,如图2所示。日本爱普生公司在2003年国际机器人展览会上展示了利用压电驱动器制作的世界上最小的直升机,如图3所示。

　　日本压电驱动器研究还与生物医学微机械系统结合起来。如在基因移植和人工受精的操作过程中将一微小吸管插入细胞质是不可缺少的一项操作。当采用传统的水压驱动器操作时,由于细胞膜的弹性使整个细胞会发生很大的变形如图4(a)所示,Higuchi的实验室研制出了一套利用冲击式直线型压电驱动器的细胞操作微处理系统,如图4(b)所示。实现了平稳的操作,使细胞膜没有产生如图4(a)的大变形。