压电驱动微位移灵敏度的影响因素分析

　　引言

　　随着微机电系统、生物工程、IC 制造工艺、精密光学工程和超精密加工等领域的快速发展, 迫切需要能够在亚微米级, 甚至在纳米级精度上进行精密位移致动的系统及装备, 微位移技术应运而生并得到了很大发展。在众多的微位移驱动方法中压电陶瓷微位移器利用逆压电效应来实现微位移, 因具有体积小,位移灵敏度高,频响高,承载力大,无噪声,不发热等特点,成为微位移致动的较佳[1]方案, 很多学者进行了大量研究, 并取得一定成果。

　　但压电陶瓷微位移灵敏度的影响因素都有哪些, 怎么消除或减小影响, 更好的发挥优势, 目前尚缺少完整、系统的描述。本文在实验研究的基础上，从内在因素、外在因素两大方面对此进行系统总结并给出相应的解决方案, 对压电驱动微位移机构的设计研究将有很好的参考、指导意义。

　　1 实验平台设计

　　基于压电陶瓷、柔性铰链作为微位移致动、导向器件的诸多优点, 采用了压电驱动和柔性铰链导向的组合机构[2], 机构如图 1 所示。柔性铰链的材料采用 65Mn 高性能弹簧钢, 利用有限元分析及参数改进方法对其进行了优化设计, 确定切割半径 R=2mm, 最小厚度 t=0.5mm, 外形尺寸: 65mm×50mm×20mm, 结构紧凑, 是同类设计中最小结构之一。理论计算[3]其固有频率为 152.1Hz, 可以产生的最大位移为 0.125mm, 最大的弹性恢复力为 1485.7N。

　　驱动实验在千级超净实验室的大理石隔振台上进行, 温度 20±0.1℃, 采用德国捷耐公司的 ZLM800双频激光干涉仪作为测量装置 ( 测量分辨率为 2.5nm)。经过重复测量, 压电驱动的微动部分位移灵敏度可达 4nm, 受测量仪器分辨率的限制。且达到此4nm 灵敏度的电压升幅是 0.5V, 而电源的电压分辨率为 150V/212=0.0366V, 也就是说, 此装置的灵敏度理论上可以达到 0.3nm。压电驱动利用压电陶瓷的逆压电效应来工作,理论上只要电压无限细分可以达到无限的位移灵敏度, 但是由于压电陶瓷固有的迟滞、蠕变和位移非线性等不足, 而且位移输出不但和所处的电场强度、输入电压有关, 还与所处的环境温度、驱动器受到的外力等因素有关[4], 这些因素都将影响最终的位移灵敏度。那么这些因素如何影响, 如何改进设计进而实现高的灵敏度, 下面章节将展开讨论。

　　2 内在因素分析

　　内在因素指压电陶瓷驱动固有的特性, 主要是迟滞、蠕变效应, 下面将从这两方面讨论。

　　2.1 迟滞效应

　　压电驱动器的迟滞特性是指在任意时刻, 压电陶瓷的输出不仅与输入电压有关, 还依赖系统以前的状态, 原因是压电陶瓷分子间存在阻力和残余极化, 是影响其位移输出的主要因素。作者对此进行了实验测试和建模研究。测试图如图 3 所示, 驱动器具有较大的迟滞,当控制电压为 80～120V 时,相同输入电压对应的输出位移差值达 0.12μm。根据特性曲线建立 Preisach 模型进行开环控制, 可以较好的预测输出值, 减小影响[5]。