关于压电微型驱动器在微机电系统方面的应用总述

关于压电微型驱动器在微机电系统方面的应用

冯盼盼

（上海大学机械自动化学院精密仪器及机械系上海）

摘要：为了更好的实现压电微型驱动器在微机电系统方向的应用，而进行的有关其结构、工作原理的探讨及其在社会科学领域等各方面的应用和最新进展等的研究。首先介绍了微机械技术的发展，然后说明了压电微型传感器的构造、工作原理以及微机电系统的相关信息，最后着重介绍压电微型驱动器与微机电系统相联系的若干应用，得出结论压电微型驱动器有着与微机电系统相匹配的结构及功能特性，有着广阔的发展前景。

关键词：压电微型驱动器；微机电系统；控制

Application about miniature piezoelectric drives in

electromechanical systems

FENG Pan-pan

（School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China）

Abstract:In order to better realize the piezoelectric micro drive in the direction of micro-electromechanical systems, and explore about its structure, working principle and its application in the social sciences and the latest progress of the study. The development of micro-mechanical technology is first introduced, and then introduce miniature piezoelectric sensor structure, working principle, as well as information about micro-electro-mechanical systems, and finally focuses on a number of associated applications of piezoelectric micro drives and microelectromechanical systems, concluded that piezoelectric micro drives have the same match of the structural and functional characteristics with micro-electro mechanical systems and has broad prospects for development.

Key words:Piezoelectric micro drive; micro-electro mechanical systems; control

1 引言

80 年代后期崛起的微机械技术对于国民经济和国防科技的未来发展将有着重要的意义，已成为国际上的一个热门课题。微机械的含义包括了结构尺寸或运动操作尺度从数毫米到纳米量级范围内的微小机电装置。它的研究将涉及: ①微机构的设计、选材、加工及装配技术的研究; ②微驱动器、微传感器、微控制器的研制; ③微机械系统技术(运动的控制、能量的供给及传输等)的研究; ④微细几何量、机械量的测试技术的研究等诸方面。其中微驱动器既可构成微机械的动力部分,亦可成为微机械的操作或执行机构。所以说，微驱动器是微机械技术研究的核心内容。国内外的著名大学和实验室都将有关微驱动器的设计、加工制造技术、测控技术等的研究作为微机械研究的一个重点方向和突破口。

微驱动器作为一种换能器，它将电、光、热等多种形式的能量转换成为机械能输出。因此,它有多种不同的工作原理和结构形式。若从能量转换形式分类,有静电驱动、电磁驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动、光驱动、凝胶驱动、热驱动以及超导驱动等形式。若按其输出运动的形式分类,则有线位移式、回转式和尺蠖式等。

微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，自八

十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。

2 压电微型驱动器的工作原理和性能

特点

2.1 压电微型驱动器的工作原理

压电驱动器利用的是压电陶瓷的压电逆效应原理，当在其两端施加与其极化电压极性相反的电压时，压电陶瓷就会缩短，如果施加与其极化电压极性相同的电压时，压电陶瓷便会伸长但总体积不变，如图1所示，施加交流电压时，将交替地伸长和缩短。压电驱动器驱动位移随电压变化曲线如图2所示[1]，所以，通过控制压电陶瓷两端施加的电压，便可控制其位移输出。

图1 压电逆效应示意图

Fig.1 Piezoelectric inverse effect diagram

图2 压电驱动器电压一位移曲线

Fig.2 Voltage-displacement curve of piezoelectric drive 图3为研制成功的压电型微驱动器实物图,图4为微驱动器的构成框图。压电型微驱动器本体通常由压电陶瓷和微纳米传动机构组成，为获得在有限的体积内有较大的输出，选用了层叠型压电陶瓷为换能元件，通过控制其电场强度,压电陶瓷所产生的形变经机构传动成为一种可控的输出位移或运动。传动机构的作用是将压电陶瓷十分微小的形变予以传动且增幅，满足驱动器输出位移或运动的要求，采用显微镜+CCD (电荷耦合器件)、A/D和PC机构成的高精度检测装置，检测驱动器的输出位移，由PC 机、D/A和精密直流放大电路组成的控制部分，通过控制引起压电陶瓷形变大小的电场强度，最终控制驱动器的输出。这样，由驱动器本体、检测部分(显微镜+CCD+ A/D+ PC机)、控制部分(PC机+D/A+精密放大电路)构成了一个闭环控制系统，满足和达到了微驱动器的各项工作性能指标。

图3 压电微型驱动器

Fig.3 Piezoelectric micro drive

图4 驱动器的构成框图

Fig.4 Configuration block diagram of the drive

该驱动器的基本工作原理为：压电驱动的工作原理是基于压电体具有逆压电效应: S = d33 E(其中: S为应变; d33为逆压电系数;E为电场强度)，即当压电体受电场作用时会产生形变。与其他形式的驱动相比，压电驱动具有的最大特点是为微米、纳米量级的位移或运动提供了新手段和新途径。同时,压电驱动具有线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、不发热、无噪声等优点，所以，压电驱动已成为一种理想的微位移驱动技术，具有很大的发展前途。

3.2 压电微型驱动器性能和特点

压电微型驱动器特点[2]如下：

(1) 不需传动机构,位移控制精度高,可达0.01um。

(2) 响应速度快,约为10us,无机械吻合间隙,可实现电压随动式位移控制。

(3) 有较大的力输出,约为3.9KN/cm2 。