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基于二氧化钒结构相变的微致动器研究

基于二氧化钒结构相变的微致动器研究

作者：赵晓迪杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着时代的进步,器件逐渐小型化和集成化。将热、电、光等其他形式能量转化为机械能的致动器更是如此。人们需要微致动器(micro-actuator)来实现对纳米器件单元、生物细胞组织、药物等的操纵和移动,同时要求微致动器具有可大规模生产、... 详细信息

随着时代的进步,器件逐渐小型化和集成化。将热、电、光等其他形式能量转化为机械能的致动器更是如此。人们需要微致动器(micro-actuator)来实现对纳米器件单元、生物细胞组织、药物等的操纵和移动,同时要求微致动器具有可大规模生产、环境适应性、可重复性和远程无线操控等特点。新型先进纳米材料的出现为微致动器的研发提供了新的解决方案,将微致动器的研究带入了一个新的阶段。二氧化钒(VO)是一种电子关联(electron correlation)过渡金属氧化物,也是一种比较优异的金属-绝缘体相变(metal-insulator transition)材料。在68℃或电学、光学的刺激下时会发生绝缘相到金属相的转变,由单斜相变为金红石相,发生较大形变(1%)并伴随电阻率、红外线透过率反射率等的改变。本文基于高质量单晶VO纳米线成功设计制备了Cr-VO和SiO-Au-VO两种不同结构的微致动器,并系统研究了其致动性能,本论文的工作内容如下:(1)利用化学气相沉积CVD法在1.2 cm的蓝宝石基底(r-cut)上外延生成长VO纳米线,纳米线平均直径约400 nm,平均长度约15μm,直立生长,具有厘米级均匀生长区域,相变温度均一(68°C)。引入贵金属铂(Pt)预沉积实现了纳米线的图案化(patterning)制备。通过对比实验明确了基底、钒源、基底与钒源(source)的距离对纳米线形貌的影响;(2)构建Cr与VO、SiO与VO的双晶(bimorph)结构,利用VO相变过程中双晶结构的弯曲和伸直实现致动。结合VO的相变理论和双晶弯曲变形理论,理论设计和实验实现Cr层厚度对Cr-VO微致动器的曲率和相变温度的调控。揭示了电子束效应(electron beam effect)通过改变无定形SiO层的杨氏模量进而可控改变SiO-Au-VO微致动器曲率的规律;(3)研究了两种微致动器阵列在热、电磁感应、光刺激下的致动性能利用激光光斑(光斑直径约2μm)可以选择性触发局部致动器,实现单一氧化硅微球的移动。借助电磁感应加热原理,可以实现Cr-VO微致动器的远程、无线操控,演示了利用Cr-VO微致动器在水中对氧化硅微球的操纵和移动。

关键词：二氧化钒纳米线金属-绝缘体转变微致动器

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基于锆钛酸铅薄膜的变形镜微致动器

纳米技术与精密工程 2008年第2期6卷 142-145页

作者：吴亚雷刘爽刘芳许晓慧文莉褚家如中国科学技术大学精密机械与精密仪器系合肥230027

以锆钛酸铅(PZT)薄膜作为驱动材料,制备了变形镜的微致动器阵列.使用有限元软件对致动器进行了模拟仿真,得到了驱动器上电极尺寸、Si弹性层厚度等参数对致动器性能的影响,获得了最优化的致动器结构.以钙钛矿相的镍酸镧(LNO)作为PZT薄膜... 详细信息

以锆钛酸铅(PZT)薄膜作为驱动材料,制备了变形镜的微致动器阵列.使用有限元软件对致动器进行了模拟仿真,得到了驱动器上电极尺寸、Si弹性层厚度等参数对致动器性能的影响,获得了最优化的致动器结构.以钙钛矿相的镍酸镧(LNO)作为PZT薄膜在Pt衬底上生长的缓冲层,增强了PZT薄膜的(100)取向,减小了PZT薄膜的内部应力,提高了致动器的驱动性能.最终制备出的1μm厚PZT薄膜驱动的变形镜微致动器,在10 V直流电压的激励下,具有2.0μm的变形量.以PZT薄膜作为驱动材料制备的变形镜微致动器阵列,对变形镜致动器的微型化和系统集成度的提高具有重要意义.

关键词：变形镜微致动器锆钛酸铅薄膜镍酸镧

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一种用于流动控制的MEMS微致动器研究

西北工业大学学报 2006年第4期24卷 487-491页

作者：姚占朝苑伟政邓进军马炳和姜澄宇西北工业大学微/纳米系统实验室陕西西安710072

设计制作了一种基于M EM S技术的微气泡型致动器,并对前缘布置有微致动器的三角翼进行了数值模拟,结果表明:微致动器可以改变三角翼前缘的旋涡流状态,扰动边界层分离,改变三角翼前缘分离涡的位置,合理布置微致动器可以获得一定的俯仰、... 详细信息

设计制作了一种基于M EM S技术的微气泡型致动器,并对前缘布置有微致动器的三角翼进行了数值模拟,结果表明:微致动器可以改变三角翼前缘的旋涡流状态,扰动边界层分离,改变三角翼前缘分离涡的位置,合理布置微致动器可以获得一定的俯仰、滚转和偏航力矩,利用微致动器成功进行分离涡流控制。

关键词： MEMS 微致动器边界层分离分离涡三角翼

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惯性冲击式压电微电机的研究

压电与声光 2007年第2期29卷 187-189页

作者：姜楠刘俊标方光荣韩立中国科学院电工研究所

惯性冲击式压电微电机是近年来出现的一种新型驱动装置。阐述了微电机的工作原理和运动过程,提出了几种机械结构的设计方法并进行了对比,对微电机模型进行了动力学分析,设计了相关的驱动电源并进行了实验。经验证,设计的微电机工作性能... 详细信息

惯性冲击式压电微电机是近年来出现的一种新型驱动装置。阐述了微电机的工作原理和运动过程,提出了几种机械结构的设计方法并进行了对比,对微电机模型进行了动力学分析,设计了相关的驱动电源并进行了实验。经验证,设计的微电机工作性能稳定,最大运动速度为150μm/s。

关键词：惯性冲击式微电机机械设计动力学分析微致动器

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V型电热硅微致动器动态频率特性

传感技术学报 2008年第4期21卷 615-618页

作者：张永宇陈晓阳杜向阳上海工程技术大学机械工程学院上海201600 上海大学机电工程与自动化学院上海200072

提出了V型电热硅微致动器的弯曲振动力学模型。考虑到微米尺度上的硅梁难以简化为质量块、弹簧振动模型,采用了连续体建模,据此可进行其模态分析及动态频率特性的理论研究。利用自行设计制造的在线动态测试机构,测试了V型电热硅微致器... 详细信息

提出了V型电热硅微致动器的弯曲振动力学模型。考虑到微米尺度上的硅梁难以简化为质量块、弹簧振动模型,采用了连续体建模,据此可进行其模态分析及动态频率特性的理论研究。利用自行设计制造的在线动态测试机构,测试了V型电热硅微致器在不同激励电压驱动下的响应输出,结果表明其位移输出也是随交变驱动电压的变化而非同步地发生变化。

关键词：微致动器电热多晶硅动态特性 MEMS

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MEMS反射镜建模及其控制实验研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2005年第11期33卷 36-38页

作者：宋镜明阮玉翟金会匡丽娟华中科技大学光电子工程系湖北武汉430074

从经典二阶振荡系统的传递函数入手,根据MEMS反射镜的开环瞬态响应实验,对模型的参数进行辨识,考察了模型在静态状况下静电力和弹簧扭矩的关系.推导了阻尼系数和实验曲线之间的关系.这个关系对阻尼系数的辨识不需要考察微镜的尺寸和空... 详细信息

从经典二阶振荡系统的传递函数入手,根据MEMS反射镜的开环瞬态响应实验,对模型的参数进行辨识,考察了模型在静态状况下静电力和弹簧扭矩的关系.推导了阻尼系数和实验曲线之间的关系.这个关系对阻尼系数的辨识不需要考察微镜的尺寸和空气压力,从而可以减轻计算量并且保证了精度.最后,通过仿真和实验结果来验证参数辨识的正确性.在实验和仿真结果中,系统的超调量被大幅度减小,稳定时间可以控制在7 ms以内,验证了模型参数辨识的正确性.

关键词：微致动器宏模型微机电系统微反射镜

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超磁致微致动器能量耦合转换有限元分析

浙江大学学报（工学版） 2005年第7期39卷 939-942,1055页

作者：曹志彤蔡炯炯陈宏平何国光浙江大学应用物理研究所浙江杭州310027

根据超磁致材料(giantmagnetostrictivematerial,GMM)磁-机耦合能量转换的本构关系,采用有限元(FEM)耦合迭代方法,设计了超磁致微致动器,研究了超磁致介质的力学特性(应力、应变)与磁学特性(磁场强度、磁感应).对算法的考察分析表明,不... 详细信息

根据超磁致材料(giantmagnetostrictivematerial,GMM)磁-机耦合能量转换的本构关系,采用有限元(FEM)耦合迭代方法,设计了超磁致微致动器,研究了超磁致介质的力学特性(应力、应变)与磁学特性(磁场强度、磁感应).对算法的考察分析表明,不同类型负载下FEM耦合迭代算法均具有良好的收敛性能.将FEM耦合迭代计算的理论结果与实验结果作了比较,两者比较吻合.对不同预压力下器件的响应特性进行了分析,结果表明,在6MPa预压力下,致动器具有较好的线性和较大的应变量,二者取得较好的折中.

关键词：超磁致材料耦合能量转换 FEM耦合迭代算法微致动器

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压电陶瓷微致动器的制作及驱动行为研究

兵工学报 2005年第1期26卷 77-81页

作者：荆阳雒建斌杨文言清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084

制作一种新型压电陶瓷微致动器 ,用于高密度硬盘驱动器磁头的精确定位。该致动器采用高d31特性的压电陶瓷材料 ,采用烧结成型工艺 ,并使用溅射和反应离子刻蚀工艺制作而成 ,然后进行了退极化性能等分析。此外 ,建立了一种有限元简化模... 详细信息

制作一种新型压电陶瓷微致动器 ,用于高密度硬盘驱动器磁头的精确定位。该致动器采用高d31特性的压电陶瓷材料 ,采用烧结成型工艺 ,并使用溅射和反应离子刻蚀工艺制作而成 ,然后进行了退极化性能等分析。此外 ,建立了一种有限元简化模型并分析其驱动能力。结果显示 ,当采用双层结构的压电微致动器时 ,在外加电压± 30V作用下 ,悬臂自由端位移和谐振频率分别达到 0 93μm和2 0 4 2 5kHz ,表明该致动器满足硬盘驱动器对微致动器位移 /电压灵敏度、谐振频率等要求。

关键词：微致动器硬盘驱动器高密度硬盘磁头制作显示压电陶瓷谐振频率反应离子刻蚀驱动能力

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基于磁流变液的微致动器模型分析与研究

功能材料 2006年第6期37卷 997-998,1002页

作者：苏永清岳继光同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系上海201804

磁流变液的驱动与控制在微观和宏观流体的驱动与控制有很大的不同,在微观条件下驱动与控制技术更为复杂和多样化,本文将在宏观模型的基础上分析研究磁流变体在微观状态下流体驱动中的关键技术,指出影响微观状态下系统控制特性的主要因素... 详细信息

磁流变液的驱动与控制在微观和宏观流体的驱动与控制有很大的不同,在微观条件下驱动与控制技术更为复杂和多样化,本文将在宏观模型的基础上分析研究磁流变体在微观状态下流体驱动中的关键技术,指出影响微观状态下系统控制特性的主要因素,探索磁性微流变体应用于微致动器的理论基础。

关键词：磁流变液微致动器尺度效应