压电双晶片型微位移放大机构研究

　　0　引言

　　当前,人们在向宏观世界不断进军的同时,也在积极地向微观世界发起冲击。人们不断地致力于微型装置的研究制造与开发利用。传统的精密驱动机构一般采取精密丝杠副或滚动(滑动)导轨、涡轮-凸轮机构、精密螺旋楔块机构、齿轮-杠杆式机构等作为动力和运动的主要转换方式[1-2]。由于在机构工作的时候存在摩擦、爬行、间隙、多环节传动等原因,使它们的定位精度、运动精度较难达到亚纳米级、纳米级。

　　近年来,随着大规模和超大规模集成电路的蓬勃发展,微机械的研究也随之逐步兴起,便对微位移驱动技术的要求也越来越高。压电驱动器是基于波动原理的新型控制与驱动的微驱动器,利用压电元件所具有的逆压电效应,将电能转换为机械能的新型驱动装置,压电陶瓷微位移器件具有体积小、输出力大、分辨率高和频响高的优点,同时还不发热、无噪声、易于控制,是纳米驱动定位技术中的比较理想微位移器件,这类高精度仪器和装备正在激光通讯、生物工程、纳米加工、自动控制、机器人等高新技术领域得到推广应用,将会在国民经济中发挥越来越重要的作用。

　　1　压电驱动理论

　　1.1　压电效应与压电逆效应

　　当某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而发生变形的时候,它们的内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上会出现相反的正负电荷,电荷的面密度与施加力的大小有关。当把外力撤掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象被称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也会随之改变。相反,若在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象被称为逆压电效应。

　　利用图1中的圆柱形压电晶体来说明压电效应,其中图1(a)表示在没有受到电压和外力条件下的压电晶体。由于晶体没有受到任何外力的作用,正电荷的重心与负电荷的重心处于重合状态,整个压电晶体的表面没有电荷。但是,当沿着某一方向对压电晶体施加作用力的时候,压电晶体就会在外力的作用下而发生形变而导致了正电荷和负电荷的重心不在重合,也就是它的电矩发生了变化,这样就会引起了压电晶体表面的荷电现象。图1(b)表示压电晶体受到外力压缩时的荷电的情况;图1(c)则为压电晶体受外力拉伸时的荷电情况。在此两种情况下,压电晶体表面所带电的符号相反。反之,若将压电晶体放置于外电场中,由于受到外电场的作用,就会导致压电晶体内部的正负电荷重心发生偏移[3]。这一极化位移又使压电晶体发生形变,如图1(d)、(e)、(f)所示。