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基于Galerkin法分析微梁的动态响应一、课题研究背景1.MEMS的概念MEMS是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)的英文缩写，是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成于一体，形成同时具有“传感－计算(控制)－执行”功能的智能微型装置或微型系统[1]。
随着技术的兴起和发展，MEMS已成为继微电子技术之后在微尺度研究领域中的又一次革命。
MEMS通过力、电、磁等能量的转换来实现自身的特有功能，涉及多种物理场的互相耦合，因此它是一个多能量域耦合作用的极其复杂的系统。
2.MEMS的特点一般地说MEMS具有以下几个非约束性的特征：（1）MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。
尺寸在毫米到微米范围之内，区别于一般宏(Macro)，即传统的、大于1cm 尺度的“机械”，并非进入物理上的微观层次。
（2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似于铝，热传导率接近钼和钨。
基于(但不限于)硅微加工技术制造。
（3）批量生产大大降低了MEMS 产品成本。
用硅微加工工艺在一片硅片上同时可制造出成百上千个微型机电装置或完整的MEMS，批量生产使性能价格比比之传统“机械”制造技术大幅度地提高。
（4）集成化。
可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能器件集成在一起，形成复杂的微系统。
微传感器、微执行器和微电子器件集成在一起可制造成可靠性、稳定性很高的MEMS。
3.MEMS的研究领域作为一门交叉学科，MEMS的研究和开发更是为了在微观领域探索新原理、开发新功能、制造新器件。
由于MEMS具有体系小、重量轻、能耗低、集成度高和智能化程度高等一系列优点，MEMS的研究领域不仅与微电子学密切相关，而且还广泛涉及到机械、材料、光学、流体、化学、热学、声学、磁学、自动控制、仿真学等学科，技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域[2-5]，所以MEMS技术是一门多学科的综合技术。
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 inelectromechanical systemsFENG 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; control1 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。
4/200417科技导报4/2004微机电系统(MEM S )技术的研究与应用高世桥1曲大成2(北京理工大学机电工程学院,博士、教授、博士生导师1;信息科学技术学院,博士2北京100081)一、微机电系统的发展在自然界中,人们对未知领域的物理研究越来越呈现出两级化的发展趋势。
一方面是针对宇宙的极大化研究,尺度特征为光年,研究手段以射电望远镜为代表;另一方面是针对原子、分子和电子等的极小化研究,尺度特征为微米、纳米甚至皮米,研究手段以扫描隧道显微镜为代表。
这其中,微型化是近二三十年自然科学和工程技术发展的一个重要趋势,而微/纳米技术的研究则推动了这一领域的蓬勃发展。
微机电系统(M icroelectrom echanical S y stems ,简称MEM S )是微/纳米技术研究的一个重要方向,是继微电子技术之后在微尺度研究领域中的又一次革命。
MEM S 是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成于一体,形成同时具有“传感-计算(控制)-执行”功能的智能微型装置或系统。
MEM S 的加工尺寸在微米(μm )量级,系统尺寸在毫米(mm )量级。
它的学科交叉程度大,其研究已延伸至机械、材料、光学、流体、化学、医学、生物等学科,技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域。
MEM S 的发展源于集成电路,但又与之有所区别;MEM S 能够感知物理世界中的各种信息,并由计算单元对信息进行处理,再通过执行器对环境实施作用与控制。
微型化是MEM S 的一个重要特点,但不是唯一特点。
首先,MEM S 不仅体积小、重量轻,同时具有谐振频率和品质因子高(高Q 值)、能量损失小等特点。
其次,可批量加工特点大大降低了MEM S 产品成本;若借助于MEM S 器件库,MEM S 的设计将更加灵活,重用率更高。
最后,强大的计算能力是MEM S 系统实现信息采集、处理、控制的关键,充分利用集成电路的计算优势将会拓展MEM S 在智能控制等领域的应用。
压电驱动与控制技术的发展与应用
吴博达;鄂世举;杨志刚;程光明
【期刊名称】《机械工程学报》
【年(卷),期】2003(39)10
【摘要】压电驱动器是利用压电体逆效应形成机械驱动或控制的一类装置。
由于压电体具有反应快、精度高和抗干扰等优点,因而由其所构造的驱动与控制装置结构简单、反应敏捷,受到国内外科学家的广泛关注。
目前已被开发出的压电驱动与控制装置主要有超声波电动机、精密驱动器等,并在国防、生物医学、光电子等诸多领域获得成功应用。
介绍国内外压电驱动与控制技术领域的研究现状及实际应用情况,给出一些具有代表性的机构实例,同时对相关性能做出评价。
【总页数】7页(P79-85)
【关键词】压电驱动器;压电效应;超声波电动机;精密驱动器;控制技术
【作者】吴博达;鄂世举;杨志刚;程光明
【作者单位】吉林大学机械学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM384
【相关文献】
1.蠕动式压电直线驱动器的发展及应用 [J], 张兆成;胡泓
2.谈新型驱动装置压电陶瓷电机的应用和发展 [J], 杨忠敏
3.压电驱动的发展应用研究 [J], 于文鑫;接勐;孙东
4.\"任务驱动教学法\"在《低压电器控制技术》课程教学中的应用研究 [J], 郎长兴;刘婷婷
5.视觉控制技术在压电驱动细胞注射装置中的应用 [J], 李欣欣;肖献强;杨志刚;程光明
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压电微机电系统的制造技术和应用随着半导体技术的不断发展，微型化电子器件的制造更加容易。
压电微机电系统是一种新型的微型化电子器件，它利用压电效应，将机械能转化为电能。
这种系统能够应用于许多领域，例如医疗、无线通信和机器人技术等。
压电微机电系统的制造技术压电微机电系统由切割、注塑、胶合和测试等制造步骤组成。
其中最关键的步骤是切割和注塑。
切割是指将压电陶瓷材料切成所需的形状。
在这一步骤中，要保证切割的精度和平整度，这样才能保证所制备的压电器件的性能。
注塑是将切割好的压电陶瓷材料灌注到模具中进行成型。
注塑过程中，要确保温度和压力的均匀分布，以确保产品的性能和质量。
胶合是将切割好的压电陶瓷材料与电极或支撑结构胶合在一起。
胶合是明确影响器件性能的重要一步，胶合不当会直接导致器件性能的下降。
测试是对制造好的压电微机电系统进行电学和力学测试。
电学测试是测试压电效应的大小和工作点位置，力学测试是测量压电器件的机械性能，例如驱动力和位移等。
压电微机电系统的应用压电微机电系统可以应用于医疗、无线通信和机器人技术等领域。
在医疗领域，压电微机电系统可以用于心脏起搏器的制作。
心脏起搏器是用来控制心跳节律的小型医疗设备，而压电微机电系统可以用来制作更加小型化和精度更高的心脏起搏器。
在无线通信领域，压电微机电系统可以用于天线的制作。
天线是无线通信系统中的核心部件，而压电微机电系统可以制作出更加小型化且性能更好的天线。
在机器人技术领域，压电微机电系统可以用于制作智能机器人的手臂。
智能机器人的手臂需要具有高精度的运动和力量调节能力，而压电微机电系统可以制作出更好的手臂驱动器件。
总结压电微机电系统具有很强的应用前景，但其制造难度大。
在制造过程中，要保证精度和均匀性，以保证器件质量。
实际应用中，压电微机电系统可以在医疗、无线通信和机器人技术等领域得到应用，同时也有着很大的发展潜力。
压电纳米发电机的功能化应用作者：张光杰来源：《新材料产业》2016年第05期现代生活不断向智能化发展，作为人类社会信息化发展的最新成果，智能家居、无人驾驶、虚拟现实等一大批新科技相继涌现。
这些技术使互联网不再局限于在电脑、手机等传统智能设备上实现互联互通，其应用对象可以延伸到任何物与物之间，逐渐形成覆盖整个人类生活的物联网。
如此庞大物联网的形成，无疑需要密集的电子器件来完成信息传感、传输、处理等工作，而如何对这些电子器件持续稳定供电是必须解决的重要问题。
传统的线路供电在解决这个问题上存在很大障碍，因为自然状态下的物与物之间不存在可见的线路连接，因此为这些物体上的电子器件逐个进行线路供电是不切实际的。
另一种方法是电池供电，通过为各个电子器件配备储电装置来实现器件的独立工作。
然而，电池供电的不足也非常明显，即电池会耗尽，在电子器件分布密集化、远程化甚至植入化的情况下，对每个电池进行充电将是非常繁复的工作；其次，电子器件正向微型化、轻量化的方向发展，而电池要想尽可能延长电量寿命，就不可避免地增大其结构尺寸及质量，这和整个系统的微型化、轻量化要求是背道而驰的。
因此，寻找更为合适的供电途径极为关键。
一、压电纳米发电机与自驱动电子器件概述2006年，佐治亚理工学院的王中林教授首次提出了基于氧化锌（ZnO）纳米材料的压电纳米发电机[1]。
这种纳米发电机利用单晶ZnO纳米线，其原理如图1所示。
当纳米线受到外界微弱的机械作用而发生形变时，由于ZnO具有压电性质，在纳米线的上下两端会产生压电电势，进而通过外电路产生脉冲电流输出，实现机械能到电能的转换。
之后，各种利用纳米压电材料实现机电转换的纳米发电机开始被大量研究，除了ZnO、氮化镓（GaN）等半导体压电材料，还有纳米结构的压电陶瓷如锆钛酸铅（PZT）、压电聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）等，都被相继用来构建纳米发电机，器件输出性能从最初的毫伏电压提高到了百伏电压，完全可以直接驱动小型电子设备。
【鸣志】小微型电机在电子制造行业的应用导语：说到电子制造行业不得不先提一下电子元器件。
电子元器件一般是指具有一定功能的电子器件，常见的电子元器件有：电阻\电容\电感器类型器件，电子二极管\三极管以及由上述器件组成的集成电路。
电子元器件是制造和生产电子产品的基本物料。
说到电子制造行业不得不先提一下电子元器件。
电子元器件一般是指具有一定功能的电子器件，常见的电子元器件有：电阻\电容\电感器类型器件，电子二极管\三极管以及由上述器件组成的集成电路。
电子元器件是制造和生产电子产品的基本物料。
自2007年第一台iPhone 问世以来，在用户需求及技术创新的双重驱动下，智能终端的新功能层出不穷，发展迅速，在有限的空间实现更多的功能已成必然，对元器件小型化的需求持续不断。
2012年以Google Glass为代表的智能可穿戴设备问世，更是对元器件的体积、重量、功耗、性能等小型化要求推向了新的高度。
这些功能的实现，无不需要小型化的元器件的支持，随着64位处理器在手机中的应用以及可穿戴设备的发展，对元器件的小型化势必提出更高的要求。
电子元器件小型化并不局限于本身，同时可进一步减小了搭载其集成电路的尺寸。
以TDK的积层陶瓷贴片电容为例，其大小仅相当于之前产品的1/100，据此可实现电路的高密度集成。
这一趋势对电子加工行业会产生两个影响：电子元器件更小、更薄、更易损坏，在保证良品率和综合稼动率的前提下，这使得各加工工序及工序之间的转运更加困难，比如夹、吸、推、压等一些末端执行机构也向着更体积更小，重量更轻，结构更简单，集成度更高的方向发展；电路更密集，对位、贴片、插件、点胶、锡焊难度更大。
生产过程中加工单元单次直线位移距离很小，往往相邻引脚焊点间的距离不到1mm，在运动控制程序中电机几乎都是工作在频繁启停状态。
这对电机的运动状态控制提出了严峻挑战。
即使在目前多工位，多批量加工技术相对成熟的环境下依旧会出现诸如元器件移位、引脚上浮等不良问题。
微型压电发电机在公交车上的设计与应用摘要：汽车中用到的微型耗电元件虽耗电小，但起着极其重要的作用。
对这些微耗元件的供电有严格的要求，根据压电效应换能原理，利用压电陶瓷受外力发电特性研制开发一种脚踏式车用压电发电机装置，并将其安装在公交车上下门踏板位置，由乘客上下车踩踏压电陶瓷实现发电，从而达到节能环保的目的。
关键词：压电效应；公交车；发电机；节能环保The design and application of micro piezoelectric generator to busYang Zhen Li Ming Ming（1.College of Electrical Mechanical Engineering，Hainan University，Haikou，Hainan，570228，China；2.College of Traffic，Jilin University，Changchun，Jilin，130012，China）Abstract：Micro power consumption components used in the automobile have small power consumption，but they play an extremely important role. There are strict requirements on these micro power consumption elements，Based on the piezoelectric effect of transducing principle，the use of piezoelectric ceramics by generating characteristics of external force develop a bus using piezoelectric generator.And install the generator on the position of the bus door pedal. The passengers get on and off the trampling of piezoelectric ceramic to generate electricity，achieving the purpose of energy saving.Key words：piezoelectric effect bus generator energy conservation and environment protection0 引言压电效应是由1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现，它包括正压电效应和逆压电效应。
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 inelectromechanical systemsFENG 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; control1 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 。
(4) 功耗低,比电磁马达式的微位移器低1个数量级,并且当物体保持一定位置(高度) 时,器件几乎无功耗。
(5) 它是一种固体器件,易于电源、侧位传感器、微机等实现闭环控制，并且磁控合金和温控形状记忆合金等其他位移器件体积要小得多。
压电微型驱动器性能如下：采用单板型压电陶瓷PZT,1cm厚的PZT要想得到10um左右的驱动位移,则两端需要施加5KV[3]的电压。
给PZT施加如此高的电压,可能会使绝缘击穿而引起机械的破坏,发生危险。
因为压电陶瓷的变形量与厚度无关,由此人们开发出了层叠式压电驱动器。
如图3所示,将压电陶瓷做成很薄的薄片(现在已经能制造出了0.05mm的压电陶瓷薄片),将多片压电陶瓷片,采用机械上串联、电路上并联,然后烧结在一起的方式制成。
这样,给它施加数百伏的电压便可得到很大的驱动位移。
以我国电子工业部第二十六研究所制造的WTDS—IK型压电驱动器为例,尺寸7×5×25mm,施加300V电压,驱动位移大于10um。
Fig.3 Stacked piezoelectric actuators3 微机电系统与压电微型驱动器关联性3.1 微机电系统微机电系统MEMS, Micro-Electro-Mechanic System是一种先进的制造技术平台。
它是以半导体制造技术为基础发展起来的。
MEMS技术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，因此从制造技术本身来讲，MEMS 中基本的制造技术是成熟的。
但MEMS更侧重于超精密机械加工，并要涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。
它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。
3.2 微机电系统特点MEMS的特点是：1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。
2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。
3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。
批量生产可大大降低生产成本。
4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。
微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。
5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。
MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。
MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。
21世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。
3.3 微机电系统与压电微型驱动器的关联性微机电系统（MEMS）侧重于超精密机械加工，并要涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域; 压电微型驱动器设计中，柔性铰链连杆机构为一种无间隙、无机械摩擦微纳米传动机构,在精密机械有关微传动设计中，新增了一种新的传动机构，同样是侧重于精密机械加工。
微机电系统重量轻，尺寸小，很少占用地方，可以在一般的机器人到不了的狭窄场所或条件恶劣的地方使用；压电型微驱动器系平面整体结构,体积小,结构简单,其最大输出位移可达 50～100μm,位移分辨率≤0.3μm,控制重复精度≤1μm,可视不同用途，极方便地加以改型设计而构成不同形式的微位移装置或操作执行机构(如微型镊子、微型机械鱼等)，同样在“微”方面，有着很大的优势，很大的发展潜力。
