多場耦合下PLZT陶瓷光致電場效應及其應用*

黃家瀚,張 崇,王 驥,王新杰

(1.寧波大學機械工程與力學學院,浙江 寧波 315211;2.南京理工大學機械工程學院,南京 210094)

微光學技術、集成電路技術、微機械技術及集成工藝制作技術融合形成了多學科交叉的前沿研究領域——微光機電系統MOEMS(Micro-Optical-Electro-Mechanical-System),基于該系統易于微小型化、響應速度快和能耗低的特點,微光機電系統已被廣泛應用于光通信、生物技術以及航空航天等方面。系統中的光學元件在微驅動裝置驅動下對入射光束進行衍射、反射、光路通斷以及相位調制等控制,從而使微光機電系統具有光學校正、衰減、掃描成像和光開關功能。微驅動裝置是微光機電系統的核心部件,其性能優劣決定了微光機電系統的性能和應用場合,目前常用的驅動機制主要有壓電驅動[1]、靜電驅動[2]、電磁驅動[3]以及電熱驅動[4]等驅動方式,它們的共同特點就是需要額外的電磁激發裝置和導線連接,易受到電磁干擾,不易微小型化。相比之下,基于鑭改性鋯鈦酸鉛(PLZT)陶瓷的光驅動方式有很多獨特的優點:①遠程非接觸式驅動,直接將光能轉化為機械能,消除機械傳動環節,結構簡單;②無導線連接,可以實現無線能源傳輸,避免電磁干擾,這些優點使PLZT鐵電陶瓷在微光機電系統中具有廣闊的應用前景。鐵電材料PLZT陶瓷在紫外光源照射下可產生非常高的光生電壓,比晶體電子禁帶寬度Eg高2個～4個數量級,被稱為反常光生伏特(Anomalous Photovoltaic)效應。自從反常光生伏特效應被發現以來,眾多學者對其機制、數學模型、影響因素以及應用做了廣泛的研究。1983年,Brody等人利用RC充電電路模型模擬PLZT陶瓷電極間光生電場的變化規律,然而并沒有指出反常光生伏特效應機理[5];2000年,Poosanaas等人指出光學二次非線性是反常光生伏特效應的原因,推導了光電流強度的表達式,并進行了實驗研究[6];2005年,Tzou和Shih等人考慮了熱效應和漏電壓,推導了PLZT陶瓷的光致電場的表達式及其光致伸縮模型,并利用Fukuda等人[7]的實驗數據對相關參數進行了數值擬合,然而并沒有考慮熱膨脹對光生電場的影響[8]。20世紀90年代,一大批學者對入射光光照強度和偏振方向[9]、PLZT組分[10]、晶粒取向[11]、表面粗糙度[12]和尺寸參數[13]等因素對PLZT鐵電陶瓷光致電場效應的影響規律進行了細致研究,為基于PLZT鐵電陶瓷的光電換能器件研究奠定了良好的基礎,然而,PLZT陶瓷光致輸出特性及相關實驗現象并沒有得到合理的解釋。

PLZT陶瓷的反常光生伏特效應使其可作為光控非接觸式電動勢源,針對PLZT陶瓷光致電場效應,學者們進行了一系列的應用嘗試。1993年,Fukuda等人利用PLZT陶瓷光致電場產生的靜電力驅動微位移運動機構,提出了一種無線光驅動移動機器人[7];2007年,東南大學黃學良等人提出了PLZT陶瓷光致電場驅動的光電機[14],西北工業大學的唐波等人對光電馬達進行了物理建模,并進行了有限元分析[15];2015年,哈爾濱工業大學的姜晶等人提出了光控壓電混合驅動,并用于懸臂梁的獨立模態控制[16],不僅如此,還提出了基于PLZT光致電場的月球探測器表面月塵清除裝置[17]。

雖然PLZT陶瓷光致電場數學模型及其應用已經得到了一定程度的研究,但是現有數學模型還不能很好地解釋光致電場的實驗現象。本文首先對多場耦合下PLZT陶瓷光致電場耦合機制進行了分析,推導了多場耦合下光致電場的數學表達式,并對實驗現象進行了理論解釋;然后對單片和雙片PLZT陶瓷的光生電壓進行了動態控制實驗研究,并提出了光生電壓驅動的光控非接觸式器件,對PLZT陶瓷作為非接觸式電動勢源在微光機電系統中應用的可行性進行了探討。

1 多場耦合下PLZT陶瓷光致電場數學模型

1.1 光致電場耦合機制分析

PLZT陶瓷屬于鐵電材料的一種,同時具有壓電效應、熱釋電效應以及反常光生伏特效應等特性。在高能紫外光束照射下,由于光熱效應,PLZT陶瓷光照表面溫度升高,從而激發熱力場;同時,由于反常光生伏特效應,PLZT陶瓷產生光電耦合場;在熱膨脹效應和壓電效應共同作用下,形成力電耦合場。綜上,光照下的PLZT鐵電陶瓷內部形成了復雜的光-電-熱-力多能場耦合場,PLZT鐵電陶瓷垂直于極化方向兩端電極間的綜合光致電場是熱釋電電場、反常光生伏特電場、壓電電場和熱膨脹效應等綜合作用的結果。

圖1 高能紫外光下PLZT陶瓷光致電場能量轉化過程圖

PLZT陶瓷光致電場的形成經過了一系列的能量轉化過程,圖1所示的是PLZT鐵電陶瓷內部能量轉化的過程,從能量轉化角度分析可以得到,光致形變和綜合光致電場經過以下轉換過程:

①光焦熱效應(光能→熱能轉換):由于光焦熱效應,入射光能一部分轉化為熱能,從而引起PLZT鐵電陶瓷光照表面溫度升高;

②反常光生伏特效應(光能→電能轉換):在反常光生伏特效應作用下,一部分入射光能轉化為電能,實現光能向電能的能量轉化;

③熱釋電效應(熱能→電能轉換):由于熱釋電效應,由光焦熱效應產生的熱能一部分轉化為電能,PLZT鐵電陶瓷光照表面的溫度在紫外光照射下顯著升高,在其兩端電極間會有熱釋電電場產生;

④熱膨脹效應(熱能→機械形變):在高能紫外光束照射下,由光焦熱效應產生的熱能一部分轉化為機械形變能量;

⑤正壓電效應(熱變形→電能):在熱膨脹作用下,PLZT陶瓷發生熱致形變,基于正壓電效應,使由溫度引起的一部分熱變形轉化為電能;

從以上能量轉化分析可知,當PLZT鐵電陶瓷受到高能紫外光束照射時,在PLZT鐵電陶瓷兩端電極間產生的綜合的光致電場是壓電電場(基于正壓電效應,使機械能向電能轉換)、熱釋電電場(基于熱釋電效應,實現熱能向電能轉換)和反常光生伏特電場(基于反常光生伏特效應,實現光能向電能轉換)相互疊加的結果。需要指出的是,在紫外光源照射下,由反常光生伏特效應激發的反常光生伏特電場和由熱釋電效應激發的熱釋電電場均與PLZT鐵電陶瓷的極化方向相同,而PLZT鐵電陶瓷光照表面溫度升高會使PLZT鐵電陶瓷產生熱膨脹效應,其造成的熱致形變所激發的壓電電場與PLZT鐵電陶瓷的極化方向相反,削弱了反常光生伏特電場和熱釋電電場的疊加電場。

1.2 光致電場數學模型

當PLZT鐵電陶瓷的光照表面受到高能紫外光照射時,在垂直其極化方向的電極間會產生非常強的反常光生伏特電場。高能紫外光激勵下的PLZT鐵電陶瓷可以看作是電流源、電阻Rp和電容Cp組成的并聯等效回路[18],基于PLZT鐵電陶瓷的等效電學模型可以得到紫外光照射下的反常光生伏特電場表達式為:

(1)

式中:Es為飽和反常光生伏特電場,且Es=IpRp/De,其中Ip為光電流,De為PLZT陶瓷的電極間距;τ1為反常光生伏特時間常數,且τ1=RpCp。

由于光焦熱效應,PLZT鐵電陶瓷光照表面的溫度在高能紫外光源照射下會明顯升高,在熱釋電效應作用下,兩端電極間會產生熱釋電電場。假設入射光的光強為I,結合熱平衡原理可以得到PLZT鐵電陶瓷溫度變化量ΔT隨時間變化的表達式:

(2)

根據熱釋電效應的定義,則熱釋電電流的表達式為:

(3)

在PLZT鐵電陶瓷垂直于極化方向的兩端均鍍有銅電極,則PLZT鐵電陶瓷可以被作為一個電容處理。當PLZT鐵電陶瓷剛剛開始受到高能紫外光照射時,其初始熱釋電電場場強為0,即Eθ(0)=0。依據電容的電壓電流關系可得到熱釋電電場的表達式:

(4)

PLZT鐵電陶瓷表面溫度升高會引起熱變形,根據熱彈性理論可得到熱致形變的表達式:

(5)

式中:λ為PLZT鐵電陶瓷的熱應變系數;Ya為PLZT鐵電陶瓷的楊氏模量。

在正壓電效應作用下,PLZT鐵電陶瓷表面溫度升高引起的熱致形變可在其兩端電極間激發壓電電場。基于壓電效應可得到熱膨脹引起的壓電電場為:

(6)

式中:d3i為PLZT鐵電陶瓷的壓電常數,i為PLZT鐵電陶瓷坐標系中光致應變的方向,i=1,2,3。

實際上,只有一部分熱致形變轉化為電場。通過反常光生伏特效應、熱釋電效應和正壓電效應的作用機制分析可知,在PLZT鐵電陶瓷內部,反常光生伏特電場和熱釋電電場的方向與PLZT鐵電陶瓷的剩余極化方向相同,從而使PLZT鐵電陶瓷內部綜合電場得到增強。而熱致形變在PLZT鐵電陶瓷兩端電極間激發的壓電電場,其方向與反常光生伏特電場和熱釋電電場組成的電場方向相反,對PLZT鐵電陶瓷內部的綜合電場產生了削弱作用。

通過以上分析可以得到各個效應產生電場之間的相互作用,因此,在高能紫外光束照射下,PLZT鐵電陶瓷內部產生的綜合光致電場表達式為:

(7)

式中:β為熱致形變與壓電電場之間的能量轉換系數。

1.3 光致電場實驗變化曲線分析

通過PLZT陶瓷光致特性靜態實驗對不同光強照射下PLZT陶瓷電極間光生電壓進行了測量,得到50 mW/cm2和200 mW/cm2光強下PLZT陶瓷光生電壓變化實驗曲線,如圖2所示。

圖2 50 mW/cm2和200 mW/cm2光強下PLZT鐵電陶瓷光生電壓變化曲線

從圖2可知,在A點紫外光源開始照射,PLZT鐵電陶瓷兩端電極間的光生電壓在50 mW/cm2光強的紫外光源照射下增大至飽和值,并在最大值處保持穩定狀態,如CD段所示,由于50 mW/cm2光強下PLZT鐵電陶瓷表面溫度升高較小,可以忽略其引起的熱釋電效應和熱致形變引起的壓電電場,此時光致電場主要由反常光生伏特電場組成,即式(7)中第1項,所以實驗曲線在達到飽和之后維持穩定狀態;在D點出關閉光源,光生電壓迅速下降并表現有明顯的殘余電壓現象。

與之不同的是,在200 mW/cm2光強下PLZT鐵電陶瓷光照表面溫升較大,此時的熱釋電效應和熱膨脹效應不可忽略,因此200 mW/cm2光強下的光生電壓實驗曲線變化規律也不同。從圖2可以看到,在A點處開始照射之后,其光生電壓迅速上升至最大值,如B點所示,然后下降至某一穩定狀態,并在此保持穩定,如CD段所示,在AB段的綜合光生電壓主要由反常光生伏特電壓和熱釋電電壓組成,即表達式(7)第1項和第2項表達式,因此響應速度遠遠快于50 mW/cm2光強下的光生電壓,然后在B點處由于熱致形變引起的壓電電壓與綜合電壓方向相反,所以造成綜合電壓劇烈下降,在CD段達到熱平衡,熱致變形達到穩定狀態,因此此時綜合電場達到穩定狀態;在D點處關閉紫外光源,光生電壓迅速下降并產生反向電壓,這是由于光停之后,PLZT鐵電陶瓷表面溫度大幅下降,由于熱釋電效應,在其兩端電極間產生與光生電壓方向相反的熱釋電電壓。

從以上分析可知,所構建的光致電場數學模型可以在理論上對光致電壓實驗曲線進行定性解釋和分析,且光焦熱效應引起的PLZT鐵電陶瓷表面溫度升高對其光致電場和形變效應有較大的影響,在進行光致電場和光致伸縮數學模型構建時不可忽略光致溫升帶來的影響。

2 光致電壓動態控制實驗研究

2.1 單片PLZT鐵電陶瓷光生電壓ON-OFF閉環控制實驗

2.1.1 光生電壓ON-OFF閉環控制實驗流程

使用定光強控制對單片PLZT鐵電陶瓷的光生電壓進行控制,通過控制光快門的開啟和關閉來控制入射光的通斷,從而實現光源ON-OFF照射,光生電壓ON-OFF控制實驗框圖如圖3所示,光生電壓的控制目標值在實驗開始之前設定,電壓數據信號通過高阻抗電壓表進行采集,然后利用微處理器對數據進行處理,根據處理結果向光快門控制電路發出控制信號。首先將光快門初始狀態置于開啟狀態,當PLZT鐵電陶瓷兩端電壓在紫外光源照射下達到目標值時,通過數據處理并發送信號驅動光快門變為關閉狀態,此時相當于光停,當PLZT陶瓷兩端電壓下降至低于目標值時,通過控制器發送信號使光快門打開,進行ON控制,使紫外光源照射PLZT鐵電陶瓷,如此循環往復,從而實現光生電壓的動態閉環控制。

圖3 單片PLZT鐵電陶瓷光生電壓ON-OFF閉環控制實驗框圖

圖4 50 mW/cm2光強下控制前后的光生電壓曲線對比圖

2.1.2 實驗結果討論

為了對單片PLZT鐵電陶瓷光生電壓在ON-OFF閉環控制策略下的控制效果進行研究,對50 mW/cm2光強下的光生電壓進行控制,并將控制前后的光生電壓曲線進行對比,控制前后的實驗結果曲線如圖4 所示。首先進行光致電場響應測試實驗,測量50 mW/cm2光強下PLZT鐵電陶瓷兩端電極間的光生電壓數據;然后,設置控制目標電壓值為1 000 V,對相同光照強度下的PLZT鐵電陶瓷光生電壓實施ON-OFF變換控制,并對其數據進行采集記錄。將以上兩組光生電壓實驗數據在同一坐標系里繪圖,得到控制前后光生電壓變化曲線圖。從圖中可以看出,單片PLZT鐵電陶瓷的光生電壓在ON-OFF閉環控制策略下可以使光生電壓保持在目標值1 000 V,并取得較好的控制效果,從而證明了利用光快門的通斷對單片PLZT鐵電陶瓷的光生電壓實施ON-OFF動態閉環控制的可行性。

在單片PLZT鐵電陶瓷光生電壓ON-OFF閉環控制試驗中,對不同光強和不同光生電壓控制目標值對控制精度的影響進行研究。分別利用50 mW/cm2和100 mW/cm2光強對單片PLZT鐵電陶瓷進行照射,通過光快門對入射光通斷進行控制,然后對不同光強下的控制目標值進行設定。

圖5 不同光強下單片PLZT陶瓷光生電壓的多目標控制曲線圖

如圖5(a)所示,在50 mW/cm2光強下設置控制目標值分別為500 V和1000 V,從圖5可以看出,光生電壓可迅速達到設定的控制目標電壓值500 V,并在ON-OFF閉環控制下在500 V保持穩定狀態,然后修改控制目標值為1 000 V,此時光快門開啟,光生電壓迅速達到1 000 V,并保持穩定狀態。光生電壓控制目標值為500 V時的控制精度要優于1 000 V時的控制精度,這是因為控制電壓為1 000 V時,光生電壓離飽和值較近,此時光生電壓響應速度小于目標電壓為500 V時的響應速度。

從圖5(b)中可以看出,在100 mW/cm2光強下設置控制目標電壓值分別為500 V、800 V、1 100 V和1 300 V,隨著光生電壓控制目標值越來越大,光生電壓的控制精度越來越不穩定,這是由于控制目標電壓值越小,光生電壓響應速度越快,對于光快門的響應速度要求越高。

將圖5(a)和圖5(b)中控制電壓目標值為500 V的曲線相比較,50 mW/cm2光強下的動態控制精度遠遠好于100 mW/cm2光強下光強下的控制精度,這是因為入射光源的光照強度越大,光生電壓的響應速度也越大,光快門的響應速度與高阻抗電壓表的采樣頻率不能滿足光生電壓響應速度控制要求。從以上分析可以得知,單片PLZT鐵電陶瓷在定光強 ON-OFF 閉環控制下可以對光生電壓進行有效控制,并具有較好的控制精度。

2.2 雙PLZT鐵電陶瓷光生電壓雙光源控制實驗

利用ON-OFF閉環控制策略對單片PLZT鐵電陶瓷進行控制,能夠實現光生電壓多目標值控制,并取得較好的控制精度,但是由于PLZT鐵電陶瓷具有明顯的殘余電壓,不同目標電壓值之間調節時間較長,且不能產生反向電壓輸出,這對于PLZT鐵電陶瓷作為光控電動勢源顯然是不夠的,因此,通過對雙片PLZT鐵電陶瓷雙光源交替激勵控制實現光生電壓的雙向調控對于PLZT鐵電陶瓷作為換能器供能裝置具有重要意義。

1.紫外光源UV-1探頭;2.光快門;3.紫外光源UV-2探頭;4.紫外光源UV-1控制器;5.高阻抗電壓表;6.PLZT_1陶瓷;7.高阻抗電壓表探頭;8.光快門控制電路;9.PLZT_2陶瓷;10.計算機;11.紫外光源UV-2控制器圖6 雙片PLZT鐵電陶瓷的光生電壓雙光源控制實驗平臺

2.2.1 實驗流程及實驗平臺搭建

圖6所示的是雙PLZT陶瓷光生電壓的雙光源協調激勵控制實驗平臺,利用導電銀膠和導電銀線將兩片PLZT鐵電陶瓷(PLZT_1和PLZT_2)的兩端電極按極化方向相反進行連接,形成公共電極,公共電極兩端與高阻抗電壓表連接,進行電壓數據采集;兩臺紫外光源探頭分別對準PLZT_1鐵電陶瓷和PLZT_2鐵電陶瓷,探頭與陶瓷之間均設有光快門裝置,用于控制光路通斷;利用C8051F410微控制器對所測的電壓信號進行處理,并向兩光快門發送控制信號,控制紫外光源照射的通斷。

將PLZT_1鐵電陶瓷和PLZT_2鐵電陶瓷兩端電極連接在一起,使其極化方向相反,利用紫外光源照射PLZT_1鐵電陶瓷可以消除PLZT_2鐵電陶瓷的殘余電壓[19],從而改變公共電極間的光生電壓,因此可以通過雙光源協調激勵控制策略實現光生電壓的雙向快速控制。根據高阻抗電壓表測得的光生電壓值,利用Labview軟件對兩光快門進行控制,實現雙光源協調激勵控制。控制流程如下:實驗開始之前,首先啟動高阻抗電壓表和運行Labview軟件,設置控制目標電壓值,將第一光快門置于“ON”狀態,第二光快門置于“OFF”狀態;將兩紫外光源同時開啟,此時PLZT_1鐵電陶瓷受到紫外光源照射,在公共電極間產生光生電壓,光生電壓數據被反饋至微控制器,與控制目標電壓值進行比較處理,然后根據處理結果發出控制信號;如果公共電極間電壓達到所設定的控制目標值,通過光快門控制電路關閉第一光快門,同時打開第二光快門,此時PLZT_2 鐵電陶瓷受到紫外光源照射,從而改變公共電極間光生電壓值,如此循環往復,從而實現光生電壓的雙向動態控制;可通過設置新的目標電壓值實現不同光生電壓的控制目標。

圖7 兩片PLZT陶瓷光生電壓的雙光源控制曲線

2.2.2 實驗結果分析

通過雙光源協調激勵控制雙片PLZT鐵電陶瓷公共電極間的光生電壓實驗,得到光生電壓的動態控制實驗曲線,如圖7所示。在實驗中,兩臺紫外光源的光照強度設置并不相同,其中紫外光源UV-1的光照強度為300 mW/cm2,而紫外光源UV-2的光照強度為100 mW/cm2,為驗證雙光源激勵法可以實現公共電極間電壓的雙向多目標控制,在實驗中將控制電壓目標值設為500 V、1 000 V、-500 V和300 V。

從圖7中可以看出,控制電壓從500 V目標值向1 000 V的目標值變化時間為2.7 s,遠遠小于單片PLZT鐵電陶瓷ON-OFF控制的響應時間。然而,由于光快門的響應速度較低,且高阻抗電壓表的采樣頻率較低,使得雙光源協調激勵的動態控制精度較差。在下一步深入研究中擬改進控制算法、提高高阻抗電壓表的采樣頻率和使用響應速度更快的光快門,提高光生電壓的響應速度,從而提高雙光源協調交替激勵的動態控制精度。從以上分析可知,雙光源協調激勵控制策略可以有效實現光生電壓的雙向調控,為PLZT鐵電陶瓷在微機電系統中供能裝置的應用提供依據。

3 潛在應用

由于光致伸縮效應,PLZT陶瓷在紫外光照射下會發生形變,將光能直接轉化為機械能,沒有中間機械傳動環節,可以實現遠程非接觸式控制,因此在微光機電系統和微驅動領域具有很好的應用前景。然而,也存在一些問題阻礙了PLZT陶瓷光致伸縮效應在微驅動領域的應用:①PLZT陶瓷光致形變響應速度緩慢(秒級),且光致形變響應速度遠遠慢于光致電場的響應速度[20];②PLZT陶瓷只能單向致動;③PLZT陶瓷存在明顯的殘余應變,且殘余應變恢復時間較長,這些問題嚴重限制了PLZT陶瓷在驅動領域的應用,特別是在高頻驅動場合的應用。

相比之下,高能紫外光束照射下PLZT陶瓷兩端電極間可快速產生高達103V/cm～105V/cm的光生電壓,響應速度快(毫秒級),并且可以通過光源照射調節光生電壓的大小和方向,因此,PLZT陶瓷可以作為電致伸縮材料以及靜電驅動器的供能裝置,從而避免直流電源等高壓發生設備,減弱電磁干擾,符合輕質微小型化趨勢。PLZT陶瓷是一種光控非接觸式電動勢源,基于PLZT陶瓷光生電場提出一些遠程非接觸式控制的概念性器件,這一類器件可不受供能裝置尺寸限制和連接導線的限制,通過調節入射光進行精確控制。

圖8 光電-靜電復合驅動扭轉微鏡示意圖

基于PLZT鐵電陶瓷的光生電壓驅動,提出了一種光電-靜電復合驅動的扭轉微鏡裝置,具體裝置如圖8所示。兩片PLZT鐵電陶瓷按極化方向相反方向布置,形成雙晶片結構,兩端公共電極與靜電扭轉微鏡的驅動電極和鏡面電極相連接,連接方式如圖所示;微鏡鏡面通過立柱和對稱扭轉梁進行支撐,微鏡鏡面背部對稱設有鏡面電極,在基底上部設有相對應的驅動電極,鏡面電極與基底驅動電極間形成電極板式靜電驅動機構;扭轉梁受到靜電力作用發生扭轉變形,從而實現微鏡的扭轉控制,在雙光源交替激勵控制下,PLZT雙晶片公共電極間電壓可以實現雙向控制,對微鏡的靜電力進行控制,從而通過光源激勵控制調節微鏡旋轉角度和方向,實現對光束的光控調節。

微泵是微流控系統中重要的執行部件,是微流控系統的核心,被廣泛應用于藥物微量輸送和配給、生物化學分析、芯片系統冷卻以及微小衛星的推進等領域。目前應用較多的是容積式微泵,通過泵膜的周期性往復運動引起泵腔容積的周期性變化,從而實現液體的泵送。泵膜的驅動方式決定了微泵的性能和應用場合,目前主要有電磁驅動、形狀記憶合金驅動、熱驅動、壓電驅動、電液動力驅動和靜電驅動等方式,但均需要額外的電磁發生裝置,無法避免電磁干擾,且不易微小型化。基于PLZT陶瓷光生電壓驅動的微泵裝置可以通過控制入射光源的光照強度、交替照射頻率對微泵的輸出流量進行控制,具有遠程非接觸式控制、無污染、無電磁干擾等優點。

1.PLZT_1陶瓷;2.電致伸縮薄膜;3.泵膜;4.泵腔;5.入水閥;6.出水閥;7.入水口;8.出水口;9.PLZT_2陶瓷;10.泵體;11.導線孔圖9 PLZT陶瓷-介電彈性體薄膜復合驅動的光控微泵裝置

圖9所示的是PLZT陶瓷-介電彈性體薄膜復合驅動的光控微泵,兩片圓形的0-3極化PLZT_1陶瓷和PLZT_2陶瓷分別安裝在微泵兩端,呈極化方向反向布置,兩端電極通過導電銀線通過導線孔連接形成公共電極,并分別與A腔、B腔、C腔和D腔的介電彈性模連接,其中A腔、B腔的正負電極連接方式與C腔、D腔相反;介電彈性薄膜粘貼在高分子泵膜上,并與泵體形成泵腔,泵腔另一端設有入水閥和出水閥,A腔、B腔、C腔和D腔的出水口與出水口相連通,入水口與入水口相連通,即組成并聯泵腔;當紫外光源Ⅰ照射PLZT_1陶瓷時,光生電壓驅動A腔、B腔的介電彈性薄膜帶動泵膜向外突出,泵腔容積增大,液體經入水閥流進容腔內,而C腔、D腔的介電彈性薄膜在光生電壓作用下使泵膜向內凹陷,泵腔容積減小,液體經出水閥排出容腔,當紫外光源Ⅰ停止照射,紫外光源Ⅱ開始照射PLZT_2陶瓷時,公共電極間電壓反向,引起A腔、B腔的容積減小,液體體積排出容腔,而C腔、D腔的容積增大,液體進入容腔。如此利用紫外光源進行交替周期性照射,從而實現連續泵水,微泵單位時間流量可以通過光照強度和光源交替照射頻率調節進行控制。

4 結論

本文對多場耦合下PLZT鐵電陶瓷光致電場效應及其控制進行了研究,并提出了一些潛在應用器件。首先,對多場耦合下PLZT陶瓷的光致電場數學模型進行了推導,該數學模型能夠對實驗現象進行合理的理論解釋;其次,針對單片PLZT陶瓷的光生電壓控制提出了ON-OFF閉環控制策略,并進行了實驗驗證,實驗結果表明ON-OFF閉環控制策略可以實現多目標光生電壓值較高精度的控制,針對雙片PLZT鐵電陶瓷的光生電壓控制提出了雙光源交替激勵控制策略,利用雙光源協調激勵兩片PLZT鐵電陶瓷能夠快速控制公共電極間的光生電壓,證明了PLZT陶瓷作為光電轉換器件的可能性;在此基礎上,提出了光電-靜電復合驅動扭轉微鏡和基于PLZT陶瓷光生電壓驅動的光控微泵等潛在應用器件。

參考文獻:

[1] Baran U,Brown D,Holmstrom S,et al. Resonant PZT MEMS Scanner for High-Resolution Displays[J]. Journal of Microelectromechanical Systems,2012,21(6):1303-1310.

[2] 姚峰林,高世橋. 微陀螺梳齒靜電驅動力的計算方法[J]. 傳感技術學報,2011,24(9):1265-1269.

[3] Cho I J,Yoon E. A Low-Voltage Three-Axis Electromagnetically Actuated Micromirror for Fine Alignment Among Optical Devices[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering,2009,19(8):442-447.

[4] 劉駿文,徐大誠,陳巧,等. 電熱驅動Bimorph微執行器對流系數估算方法研究[J]. 傳感技術學報,2015,28(8):1120-1124.

[5] Brody P S. Optomechanical Bimorph Actuator[J]. Ferroelectrics,1983,50(1):27-32.

[6] Poosanaas P,Tonooka K,Uchino K. Photostrictive Actuators[J]. Mechatronics,2000,10(4):467-487.

[7] Fukuda T,Hattori S,Arai F,et al. Characteristics of Optical Actuator-Servomechanisms Using Bimorph Optical Piezo-Electric Actuator[C]//Proceedings of 1993 IEEE International Conference on Robotics and Automation,1993:618-623.

[8] Shih H R,Tzou H S,Saypuri M. Structural Vibration Control Using Spatially Configured Opto-Electromechanical Actuators[J]. Journal of Sound and Vibration,2005,284(1):361-378.

[9] Chu S Y,Ye Z,Uchino K. Photovoltaic Effect for the Linearly Polarized Light in(Pb,La)(Zr,Ti)O3Ceramics[J]. Smart Materials and Structures,1994,3(2):114.

[10] Matsukuma A,Nakada T,Morikawa Y. Study on Optical Servo System(Temperature Dependency of Photovoltaic Effect in PLZT Element)[J]. The Japan Society of Mechanical Engineers,1998,64(619):297-302.

[11] Ichiki M,Furue H,Kobayashi T,et al. Photovoltaic Properties of(Pb,La)(Zr,Ti)O3Films with Different Crystallographic Orientations[J]. Applied Physics Letters,2005,87(22):222903.

[12] Poosanaas P,Dogan A,Thakoor S,et al. Dependence of Photostriction on Sample Thickness and Surface Roughness for PLZT Ceramics[C]//IEEE Ultrasonics Symposium,1997,1:553-556.

[13] 王新杰. PLZT光致伸縮特性及光電層合回轉薄殼主動控制的研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學,2011.

[14] 黃學良,葉飛. 基于新型光電材料PLZT的光電機研究[J]. 光電工程,2007,34(12):138-144.

[15] 唐波. 鋯鈦酸鑭鉛陶瓷制備及其應用研究[D]. 西安:西北工業大學,2006.

[16] 姜晶,鄧宗全,岳洪浩,等. 基于光控壓電混合驅動懸臂梁獨立模態控制[J]. 振動與沖擊,2015(7):64-70.

[17] 姜晶,候緒研,王雷,等. 月球探測器表面月塵光電清除系統,CN105642615A[P]. 2016.

[18] Fridkin V M,Photoferroelectrics[M]. New York:Springer,1979.

[19] Wang X J,Huang J H,Wang J. Experimental Research on the Response Characteristic of PLZT Ceramics[J]. Smart Materials and Structures,2015,24(7):075017.

[20] Huang J H,Wang X J,Cheng W X,et al. Experimental Investigation on the Hysteresis Phenomenon and the Photostrictive Effect of PLZT with Coupled Multi-Physics Fields[J]. Smart Materials and Structures,2015,24(4):045002.