微光机电陀螺微致动器设计与有限元分析

　　近年来, 精密调整与定位系统的研究工作主要集中在微小型化和高精度两个方向上[ 1] 。锆钛酸铅( PZT ) 薄膜因其具有显著的压电特性, 被广泛应用于压电传感器、微执行器和光电装置[ 2] 。空间谐振式MOEMS 陀螺是光纤陀螺微型化最重要的发展方向, 其关键技术之一就是需要对构成谐振腔的微镜实施位移和偏转角度的精密调整与定位, 以保证光路在腔内形成闭合并产生谐振[ 3] 。多层PZT 薄膜兼有块状材料和薄膜的优点, 可以在低压条件下工作, 具有体积小、推力大、精度及位移分辨力高等特点, 并且其制作方法可以与微加工工艺兼容[ 4-5] 。

　　因此, 多层PZT 薄膜作为制作微致动器的首选材料, 利用其高d33 的压电特性, 被用来解决空间谐振式MOEMS 陀螺微反射镜( 简称微镜) 微位移和角度的精密调整与定位问题。

　　1 微致动器结构设计

　　要实现空间光路的谐振, 必须对微镜实施精确的控制, 包括对微镜的前后微位移和偏转角度的控制。为此设计了反射镜微位移及角度控制致动器, 致动器结构如图1 所示。致动器为圆柱形结构, 微镜放置在环形槽片中心柱的上表面, 角度致动器与环形槽片下表面连接在一起, 微位移致动器放置在底部。为了增大调整范围, 制动器采用多层PZT 薄膜结构。

　　1. 1 角度致动器的结构设计

　　角度控制致动器的结构见图1 所示, 它是由溶胶-凝胶法[ 6-7] 制成的多层PZT 薄膜十字形结构。致动器采用四象限结构布局, 四条臂的长度和宽度分别相等。致动器外径与槽片的外环直径相当, 网格区域的双面都镀有导电银膜, 且四个区域相互绝缘。该结构可以增大角度调整范围。

　　1. 2 微位移致动器的结构

　　在致动器的结构中, 角度控制致动器紧贴在槽片的背面且与槽片同心, 其相贴的部位用环氧树脂胶粘接。微位移致动器放置在底部, 是由PZT 薄膜制成的环形薄片, 上下表面镀有导电银膜, 其结构见图1 所示。其中心有一推拉杆穿过, 经过角度控制致动器的中心孔, 直接作用在槽片的中心柱上, 以控制中心柱的前后位移。

　　1. 3 微致动器的工作原理

　　在角度致动器相对的两个臂在角度致动器相对的两个臂上加反相电压时,由于PZT 的逆压电效应, 施加有正相电压的一臂上凸, 而施加有反相电压的一臂下凹, 从而使微镜产生相对于镜面原法线方向偏转角度。施加的电压不同, 则偏转的角度大小不同。当向微位移致动器加载电压时, 致动器中心产生轴向移动, 从而使微反射镜面产生轴向位移, 改变陀螺光路。通过控制加载在角度和微位移致动器上的电压, 可以达到控制激光光路的目的。