一种简易的多自由度微位移器

    利用压电陶瓷的剪切形变设计制造具有片式环形结构的超声电机已被广泛研究^[1–2]。受到这些研究的启发,本文作者提出这种结构同样可用来制造微位移器。这种微位移器具有结构简单,便于制造,在x、y二个方向上位移量大等优点。器件可望用作各种显微镜载物台。

    1　结构和原理

    厚为0.15 mm的二个同心的压电陶瓷片状圆环(外径分别为? mm、?2 mm),利用502胶紧贴在一个直径?5 mm的圆铜片上,外层陶瓷环分成彼此相隔1 mm的4个等分扇形,内外环间隔为1mm。圆环和各个扇形的上下表面先涂烧银电极,再极化处理。二个相邻的扇形以及内圆环具有相同的极化方向,另外二个彼 此相邻的扇形的极化方向与此相反。在铜片的中心焊有一根直径?.5 mm,长100 mm的铜杆,穿过内圆环中央孔垂直立起,其端头处粘有一片氧化铝陶瓷基片(直径约? mm),作为微位移器的工作平台。圆铜片的另一面通过厚度约10 mm的硅橡胶与有机玻璃基底粘连。整个装置如图1所示。

    有机玻璃板上有V_A、V_B、V_C、V_D4个接线端头,分别同4个0~300 V可调直流电源相连。压电陶瓷的各个涂银面均焊有细导线引出,同相应的接线端相连。压电陶瓷各个与圆铜片相接触的电极都与端头V_D连接,压电陶瓷内圆环的上表面电极与端头V_B连接,外圆环的4个扇形中极化方向相反的二个扇形的上表面电极并联后分别与端头V_A和VC相连(见图1)。将连接端头VD的电压固定为150 V,则通过在0 ~ 300 V范围内调节连接V_A、V_B、V_C端 头的直流电压,就可实现各个压电陶瓷片上的电压在-150 V~ +150 V范围内变化。由于各压电陶瓷片上所加的电压大小不等,以及极化方向不同,造成各陶瓷片产生不同的剪切形变,这些形变传递到圆铜片上,在铜片的不同部位产 生大小、方向不同的形变,从而使铜片整体发生弯曲,其中心将会产生沿着垂直方向(z方向)和围绕垂直方向的位移,带动连接在铜片中央的铜杆产生围绕z轴的 偏斜以及沿着z方向的位移。由于铜杆的放大作用,使在其上端的载物台(氧化铝基片)沿x和y方向的位移远远大于沿z方向的位移,因此该微位移器主要用于需 要提供x、y二个方向的位移的二自由度装置中。整个装置的外形如图2所示。

    2　压电陶瓷的制备

    用来制造微位移器的PSZTM压电陶瓷的成分为Pb_0.95Sr_0.05(Zr_0.52Ti_0.48)O3+0.75%MnO₂(摩尔分数),添加氧化锰是使一部分Mn离子进入晶格中的Pb位,产生Pb缺位,材料呈施主掺杂特性,可减小材料的矫顽电场,同时使另一部分Mn离子进入晶格中(Zr,Ti)位,产生氧空位,材料呈受主掺杂特性,可提高材料的压电常数d₃₃、机械耦合系数k_p和介电常数ε并使介质损耗tanδ明显降低^[3]。