电磁悬浮微驱动器的设计与控制方法.研究

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1、浙江理工大学硕士学位论文浙江理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：F荮、翠日期：2口口'年弓月9日浙江理工大学硕士学位论文浙江理工大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子

2、版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在——年解密后使用本版权书。本学位论文属于不保密口。学位论文作者签名：傍、军日期：p口c7年罗月‘7日Ⅱ梅妒乜竹月门V77：年名反／一签彤～彳教，导期指臣浙江理工大学硕士学位论文1．1课题研究的背景和意义第一章综述随着微／纳米科学技术的快速发展，在微机电系统、生物工程、分子原子操纵等领域中，迫切需要具有纳米级操作精度的微操作机器人系统‘M】。在微操作机器人系统中，微驱动器负责完成微操作器(如微探

3、针、微吸管、微夹持器)在三维空间中的精密运动和末端位置姿态调整，是实施微操作的关键部件，其性能的优劣直接关系到微操作的成败，为了实现高精度的微操作，必须具备高运动精度和定位精度的微驱动器。因此，微驱动器技术是微操作机器人系统的核心技术，已成为国内外研究的重要方向，属微系统的前沿研究领域。1．2微驱动器分类和驱动原理微驱动器可将不同控制信号变为微小动作以实现某种功能，因而成为微机械研究的重要课题。概括国内外微机电系统领域所涉及的微驱动器技术‘6。01，典型分类有：1．静电驱动裂11-15】；2．压电驱动烈16·17】；3．磁致伸缩驱动器【18】；5．微电磁驱动

4、器【19之11。下面介绍各类微驱动技术：1．2．1静电微驱动器静电驱动器是利用电荷间的吸引力和排斥力的相互作用驱动电极而产生平移或旋转的运动方式。常见的静电驱动方式有：划痕驱动方式(SDA)、梳状电极方式和平行板电容方式等。划痕驱动结构。划痕驱动驱动器(SDA：Scratchdriveactuator)是由多晶硅平板和下电极衬底组成，二者之间有一层绝缘层，如图1．1所示。多晶硅平板的一端有一个垂直的衬板(bushing)，它由脉冲电压驱动。当多晶硅平板和衬底之间加脉冲电压时，在静电力的作用下多晶硅平板发生变形，在平板向下变形的同时，衬板被向前挤出一步，当电压

5、撤掉时，在前边的衬板与衬底的摩擦比在后面的平板与衬底的摩擦大，因此，多晶硅平板向前移动了一小步。SDA驱动器平均每步的位移非常小，一般为20～30nm，这样精确的位移对于驱动光学元件是非常理想的。浙江理工大学硕十学位论文向驱动．主要由Stmionm，∞f”bMot,aHeamm图1．2梳状电撮的结构示意图折叠粱的两端由锚柱固定在村底上，当在梁各极板之间施加电压时，在静电力的作用下，可动梳状电极向固定电极方向运动，使支撑梁发生形变，从而带动其它元件发生运动。梳状电极微驱动器受限于设计与移动距离，但响应速度较快。Y∞＆R＆逝’⋯一多。E二二二三=二二二]9j‘l

6、=_“⋯脚i，。j_●_-______-_--“⋯，‘图1．3平行板电容驱动的模型平行板电容结构。平行板电容驱动是较为简单的静电驱动方式，一般为垂直结构，制作工艺简单，驱动力较大。平行板电容结构的基本模型如图13所示，一一笋譬}黔r一唑巴淼焉匪季一震薹誉耳霪誊蓬，电的电嚣一浙江理工大学硕上学位论文下电极板固定，上电极板为可动部分。当上下电极之间施加驱动电压V时，由于静电力的作用，上电极会向靠近下电极的方向运动。随着电极间距的变化，上下电极构成可变电容器。可动部分向下运动时，受到静电力和弹性恢复力，如果器件工作于气体或液体的阻尼环境中时，可动部分的运动要受到阻

7、尼力。1．2．2压电驱动器压电效应是固态电介质的力学参数和电学参数之间的一次效应。只可能出现于没有中心对称的电介质中。它可以是单晶、多晶(如陶瓷)或非晶(如聚合物)。常用的有石英晶体、BaTi03、PZT等。由于压电陶瓷PZT具有机电、声、光、热、弹等多种功能及耦合效应，可以用作压力、温度、光等多种传感器。压电型微驱动器(PISM)采用逆压电效应原理，可产生亚微米量级的位移，利用柔性铰链杠杆放大。其特点是相应速度快、动作准确可靠、控制精度高。上海交大研制的压电微驱动器杠杆放大原理如图1．4所示，压电微驱动器示意图如图1．5所示。电陶瓷元件窍一。主质量块压电陶

8、瓷配萼块图1．4压电微驱动器杠杆放大原理图图1．5压