1 宁波大学 机械工程与力学学院 浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室， 浙江宁波352
2 浙江大学 机械工程学院 浙江省先进制造技术重点实验室，浙江杭州31007
针对微操作与微装配任务对多维大范围精密定位运动的需求，采用粘滑驱动原理并结合压电柔顺机构设计二自由度、大行程、无耦合并联定位平台。利用桥式机构对内置压电驱动器进行位移放大，并与复合解耦结构配合构成二维柔顺驱动机构。交叉滚柱导轨则连接移动台与驱动机构，并通过预紧螺钉调整接触摩擦力，进而获得良好的粘滑运动特性。采用有限元法建立定位平台的静力学模型，并对位移放大倍数、应力和固有频率进行仿真分析。最后，搭建实验测试系统验证定位平台的输出性能。实验结果表明：在扫描驱动模式下，驱动电压为150 V时，平台x和y向的输出位移分别为63.84 μm和62.61 μm，耦合比为0.52%和0.59%，分辨率为6.5 nm和7.2 nm；在步进驱动模式下，驱动电压为120 V时，平台在x和y向的单步位移分别为47.31 μm和47.20 μm，耦合比为0.69%和0.73%，x正向、x反向、y正向和y反向的运动分辨率分别为0.49，0.47，0.47和0.42 μm，最大垂直负载为50 N，设计的压电粘滑定位平台满足所需性能要求。
压电驱动 桥式机构 粘滑运动 定位平台 piezoelectric actuation bridge mechanism stick-slip motion positioning platform 光子学报
2023, 52(12): 1223001
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Natural Sciences and Mathematics, Ural Federal University, 620002 Ekaterinburg, Russia
2 Institut de Physique de Nice, Université, Côte d’Azur, CNRS, 06108 Nice Cedex 2, France
The paper presents the results of an experimental study of the local polarization reversal and creation of domains by a biased tip of scanning probe microscope (SPM) in lithium niobate single crystals of congruent composition with a surface layer modified by soft proton exchange (SPE). The depth dependence of H ions concentration in the SPE-modified layer measured by confocal Raman microscopy demonstrates a sufficient composition gradient. The creation of isolated domains and stripe domain structures has been done by two switching modes: (1) point switching by field application in separated points and (2) line scanning switching by motion of the biased tip being in contact with the sample surface. For point switching for pulse durations less than 10s, the logarithmic dependence of the domain diameter on the pulse duration was observed. The change of the dependence to a linear one for pulse duration above 10s has been attributed to the transition from the stochastic step generation at the domain wall to the deterministic one at the domain vertexes. The periodical structure of stripe domains was created in SPE CLN planar waveguides by scanning at elevated temperature. The revealed switching regime suppresses electrostatic interaction of neighboring domains and leads to a significant improvement of the domain structure regularity. The creation of the stable periodical domain structure with submicron periods in SPE CLN planar waveguides was demonstrated.
Scanning probe microscopy piezoelectric force microscopy periodical poling composition gradient Journal of Advanced Dielectrics
2023, 13(6): 2350020
1 北京科技大学材料国家级实验教学示范中心北京 100083
2 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083
在自然环境中，机械振动能具有普遍性、多样性、无污染和易收集等优点，在各种形式的能量中占有一席之地，利用压电纳米发电机收集机械振动能可为智能化功能电子器件的供电问题提供一个可行的解决办法。本研究利用无铅钛酸钡(BaTiO3)纳米颗粒、碳纳米管和聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行复合，制备成BaTiO3/PDMS和BaTiO3/PDMS/C基压电纳米发动机。结果表明：随着BaTiO3含量的增加，BaTiO3/PDMS基压电纳米发动机输出信号呈现先增加后减少的现象，且在BaTiO3含量为12%时取得最优输出信号，其输出电流为42 nA、输出电压为18 V。此外，碳纳米管的引入有利提升BaTiO3/PDMS基压电纳米发动机的输出信号，且在碳纳米管含量为2%时BaTiO3/PDMS/C基压电纳米发动机取得最优输出信号，其输出电流为73 nA、输出电压为19 V。研究表明BaTiO3/PDMS/C基压电纳米发动机在自供电微电子可穿戴设备等领域具有较大的应用潜力。
钛酸钡 纳米发动机 压电 复合材料 barium titanate nanogenerator piezoelectric composite materials
1 北京新风航天装备有限公司, 北京 100854电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 611731
2 北京新风航天装备有限公司, 北京 100854
3 电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 611731
随着智能时代的到来, 磁场传感器已经广泛应用于移动设备中, 为用户提供定位和导航等服务。目前, 基于霍尔效应的磁场传感器和基于磁性材料的磁阻式传感器是人们普遍采用的 2种磁场检测传感器。基于霍尔效应的磁场传感器的优点是成本低, 不需要外加磁性材料, 且制作工艺和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容。这种传感器的工作范围一般为 10 μT~1 T, 并可以通过增加功耗的方式来提高分辨力。磁阻式磁场传感器拥有较高的分辨力和较宽的工作范围(0.1 nT~1 T), 其性能主要取决于磁性材料。除了以上 2种方式外, 由硅基微机电系统(MEMS)谐振器构成的谐振式磁场传感器利用洛伦兹力对磁场的依赖性实现了对磁场的检测, 具有体积小、功耗低、性能优异且与 CMOS工艺兼容等优点, 近年来受到研究人员的广泛关注。本文回顾了由 MEMS硅基谐振器构成的磁场传感器的最新发展动态和性能提升方法, 并总结了当前存在的关键挑战和未来机遇。
微机电系统 谐振式磁场传感器 硅基谐振器 压电式换能 电容式换能 Micro-Electro-Mechanical System(MEMS) resonant magnetometers silicon-based resonators piezoelectric transduction capacitive transduction 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(11): 1387
高温压电加速度传感器被广泛应用于振动与冲击测试、故障诊断与监测方面。针对传统压电加速度传感器灵敏度温度漂移过大的问题，该文设计了一种高温压电加速度传感器，该加速度传感器采用正负温度系数的压电元件堆叠设计，以抵消温度变化的影响，进而降低温度漂移。5层YCOB压电元件和1层GdCOB压电元件堆叠构成压缩型压电加速度传感器。应用ANSYS对传感器的性能进行仿真优化，并对提出的降低灵敏度温度漂移的方法有效性进行了仿真验证。结果表明,在常温~800 ℃全温度范围内，该传感器的灵敏度温度漂移小于±3%，其具有高温稳定性好、测量精度高的优点。
高温压电 加速度传感器 灵敏度温度漂移 正负温度系数 high temperature piezoelectric accelerometer sensitivity temperature drift positive and negative temperature coefficient
北京信息科技大学 理学院，北京 海淀 100192
为了提升声纳系统的探测性能，该文从扩展水声换能器带宽和提高灵敏度两方面出发，研制了一种“金字塔”结构的宽带高灵敏水声换能器，并选择单金属板空气柱型压电材料作为宽带高灵敏换能器的有源材料。对敏感元件进行机电等效分析和有限元仿真，获得压电材料尺寸的优选范围。根据多模耦合理论设计了“金字塔”型的换能器敏感元件结构。通过建立换能器的制作工艺流程，研制出宽带高灵敏换能器样机。测试结果表明，发送电压响应最高为182.9 dB，发射带宽为170 kHz，接收灵敏度最高达到-173.7 dB，接收带宽为110 kHz，-6 dB波束开角为8.1°。
宽带 高灵敏 机电等效 水声换能器 制备工艺 压电材料 broadband high-sensitivity electromechanical equivalence hydroacoustic transducer preparation process piezoelectric materials
