高效低压驱动的压电单晶面切模式超声电机构造机理及多场耦合设计方法研究

Since current driving technology cannot simultaneously meet the requirement of implantable medical devices on efficiency, temperature rise, miniaturization and voltage, this project will utilize ultrasonic motors with compact structures and no electromagnetic noise, face-shear mode of novel PIN-PMN-PT:Mn single crystals with superior piezoelectric coefficients and high electromechanical coupling factor. The structure mechanism of face-shear mode single crystal rotary ultrasonic motor and its design based on multi-field coupling model will be investigated to resolve the bottleneck problems on ultrasonic motor and its application in the medical fields. The research contents are as follows: firstly, studying the actuating law of [011]c poled PIN-PMN-PT face-shear mode single crystal and the structure mechanism of face-shear mode single crystal rotary ultrasonic motor; secondly, studying the temperature characteristics of full matrix parameters of the single crystal based on the combined resonance and impedance spectrum method; thirdly, studying the multi-field coupling mechanism of ultrasonic motor, constructing the accurate multi-field coupling model of ultrasonic motor. Finally, by collaborative optimization design, the rotary ultrasonic micro-motor, which meets the requirement of implantable medical devices and has high efficiency, low driving voltage and low heat generation, is fabricated. This project will promote the research and the rapid development of implantable medical devices. Meanwhile, the new proposed measurement and design method can provide a theoretical basis and technical support for the temperature control and performance simulation of ultrasonic motor.

为解决现有驱动技术在效率、温升、小型化、电压等方面无法同时满足植入式医疗器械要求的问题，本项目拟利用超声电机结构紧凑、无电磁干扰的特点和新型PIN-PMN-PT:Mn单晶材料面切模式具有超大压电系数、高机电耦合系数的优势，研究压电单晶面切模式旋转超声电机构造机理及多场耦合设计方法，以解决现有超声电机设计及其在医疗领域应用的瓶颈问题。具体内容为：一、[011]c极化PIN-PMN-PT:Mn单晶面切模式的激励规律及单晶面切旋转超声电机的构造机理研究；二、基于共振-阻抗谱联合法的单晶全矩阵参数温度特性研究；三、通过超声电机多物理场间耦合传递机制研究，构建准确的多场耦合模型；通过协同优化设计，制作出满足植入式医疗器械要求的、高效、低电压驱动、低发热的微型超声电机。本项目不仅能推动植入式医疗器械的研究和快速发展，同时，新提出的测量和设计方法也能为超声电机温升控制和性能模拟提供理论基础和技术支撑。

针对现有驱动技术在效率、温升、小型化、电压等方面无法同时满足应用要求，本课题开展了压电单晶全矩阵参数及其温度特性测量方法、新型压电单晶高性能机电特性的物理机制、压电器件多物理场耦合机制与规律、单晶驱动器设计等方面研究，具体研究内容如下：. 本课题提出了一种新的仅使用两个样品测量单晶全套材料常数温度依赖性的表征方法，得到了压电单晶全矩阵材料参数随温度变化规律，这将使单晶器件的精确模拟设计和性能预测成为现实。提出了基于超声和阻抗谱联合法、仅用单一样品的单晶全矩阵参数的测量方法。提出了基于粒子群优化算法的压电材料表征新方法，该方法具有更准确的重建值和更快的收敛速度，这将有助于具有未知参数的压电材料的精确表征。利用新型压电单晶材料具有超大压电系数、高功率密度和高机电耦合系数的优势，设计和制作了PIN-PMN-PT: Mn单晶超声电机，与PZT陶瓷超声电机相比，呈现更低的激励频率，更低的驱动电压和功耗。 . 提出并建立了一种超声电机理论模型，研究了预压力、电场、以及电机的输出性能、谐振频率，振幅接触状态等多物理场相互耦合关系，该工作有助于更好理解超声电机的特性机理，对电机设计，性能预测，工作范围选择和控制有重要价值。研究了超声电机中压电材料参数、电场、频率对电机温升的影响规律；提出了一种量化双极性高频交流电场下铁电材料极化反转特性的方法，为单晶器件的驱动和可靠性提高提供了重要的理论依据。给出了单晶矫顽场与频率关系，并阐明了其物理机制。这对于单晶器件设计人员和其它高电场、高频器件应用十分重要。量化了单晶电场的幅度或频率与退化特性的关系，得到了温度对压电单晶材料的影响规律及其物理机制。该工作能够使压电领域进一步理解铁电单晶的热稳定性，促进压电单晶材料的设计和推广。并从畴工程的角度分析了单晶拥有优异压电性能的原因。阐明了掺杂后对压电器件性能的影响机理，给出了掺杂量的上限。通过本课题研究表明Mn掺杂PIN-PMN-PT单晶将是微型机电系统中理想的激励材料，设计低电压驱动和小尺寸的超声驱动器具有良好的潜力。