中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
作為一種重要的機電轉換功能性材料，壓電陶瓷材料及器件深刻影響著(zhù)智能傳感、精密驅動(dòng)、換能等高技術(shù)領(lǐng)域，在航天航空、生物醫學(xué)操作、光通訊、微/納米機電系統（M/NEMS）、激光制導、可穿戴柔性電子及無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )等應用場(chǎng)景中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵性作用。一般來(lái)說(shuō)，壓電陶瓷器件需要工作在特定的振動(dòng)模態(tài)。因此，對于傳統的壓電器件來(lái)說(shuō)，為了激發(fā)所需要的振動(dòng)模態(tài)，需要將外部激勵信號的頻率設置為所需振動(dòng)模式的本征頻率（即自然共振或特征頻率）。由于連續彈性介質(zhì)的本征頻率取決于幾何結構、材料參數和約束條件等，且本征頻率的數量是無(wú)限的，因此會(huì )不可避免地導致結構尺寸設計與本征頻率和工作模態(tài)的不可調和、主振動(dòng)模態(tài)與寄生模態(tài)之間的嚴重耦合等問(wèn)題；而在非本征頻率下，又很難有效激發(fā)出所需振動(dòng)模態(tài)。這些問(wèn)題長(cháng)期限制了壓電陶瓷器件的設計與發(fā)展。
三維超構激發(fā)人工壓電振動(dòng)模態(tài)
近日，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院董蜀湘教授課題組在壓電超材料設計思想的啟發(fā)下，通過(guò)壓電材料的三維有序智能構造，即通過(guò)壓電陶瓷應變基元按一定順序沿三維空間有序排列的構造（3D OSPSU），可以在很寬的非本征頻率范圍（從準靜態(tài)到超聲頻率范圍），人工地激發(fā)出所需要的各種基本振動(dòng)模態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，他們設計了一種壓電陶瓷應變基元按照（2×2×2）矩陣序構并通過(guò)多層共燒制備的壓電陶瓷獨石體智能結構；利用應變基元之間線(xiàn)性及非線(xiàn)性應變的協(xié)同效應，人工構造出彎曲、伸縮、剪切、扭轉等非諧振基本模態(tài)或它們之間的復合模態(tài)（見(jiàn)圖1所示三維超構理論模型）。通過(guò)壓電應變基元的協(xié)同效應，增強某一或某些方向上的變形，我們可以獲得自然壓電陶瓷沒(méi)有的、甚至增強的壓電系數。人工構造出的表觀(guān)壓電系數甚至可以比自然壓電系數高出數十倍甚至數百倍。因此，那些在非諧振狀態(tài)下很難產(chǎn)生的振動(dòng)模態(tài)都可以按照超構設計思想有效地激發(fā)出來(lái)。課題組通過(guò)一個(gè)可編程驅動(dòng)電路驅動(dòng)，可進(jìn)一步獲得可程控多模態(tài)激發(fā)功能（見(jiàn)圖2）。將多個(gè)壓電陶瓷智能結構疊加在一起時(shí)，他們還可以獲得大尺寸、高階或復合振動(dòng)模態(tài)。這種壓電三維超構理論思路，打破了傳統壓電振動(dòng)理論的限制，有望為未來(lái)壓電器件的設計開(kāi)辟全新的發(fā)展方向。
圖1 應變基元、三維超構、應變協(xié)同機理及人工振動(dòng)模態(tài)之間關(guān)系的理論模型
圖2 3D OSPSU的可程控、非諧振人工模態(tài)激發(fā)
首次利用單個(gè)壓電陶瓷獨石體產(chǎn)生五自由度微納米驅動(dòng)態(tài)
為了驗證提出理論模型的有效性，課題組通過(guò)多層共燒方法，制備一個(gè)獨石狀壓電陶瓷3D OSPSU智能結構，測試了彎曲、伸縮、剪切、扭轉等幾個(gè)主要振動(dòng)模態(tài)。進(jìn)一步，他們利用共燒制備的壓電陶瓷獨石體，構造了一個(gè)五自由度微-納米驅動(dòng)平臺，即一個(gè)單個(gè)的壓電陶瓷獨石體就可產(chǎn)生五個(gè)自由度的超高精密運動(dòng)（見(jiàn)圖3）。產(chǎn)生的五自由度運動(dòng)包括：沿x-軸、y-軸和z-軸微-納米平動(dòng)以及繞x-軸和y-軸微秒弧度轉動(dòng)。測試顯示，這一壓電陶瓷獨石體在三個(gè)平動(dòng)自由度及兩個(gè)轉動(dòng)自由度上產(chǎn)生的最小分辨率分別為3.5 nm、3.2 nm、3.0 nm、0.043及0.045（開(kāi)環(huán)控制、普通實(shí)驗室環(huán)境），顯示出使用3D OSPSU方法論構造多自由度、多功能超精密壓電器件的巨大潛力。
圖3 基于3D OSPSU智能結構構造的五自由度微-納米驅動(dòng)平臺及測試數據
這一成果以“Designing Artificial Vibration Modes of Piezoelectric Devices Using Programmable, 3D Ordered Structure with Piezoceramic Strain Units”為題，近期發(fā)表在A(yíng)dvanced Materials。文章的第一作者是北京大學(xué)材料學(xué)院2018級博士生李占淼，董蜀湘是本文通訊作者。
