多場耦合下PLZT陶瓷光致電場效應(yīng)及其應(yīng)用*

黃家瀚,張 崇,王 驥,王新杰

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

微光學(xué)技術(shù)、集成電路技術(shù)、微機械技術(shù)及集成工藝制作技術(shù)融合形成了多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域——微光機電系統(tǒng)MOEMS(Micro-Optical-Electro-Mechanical-System),基于該系統(tǒng)易于微小型化、響應(yīng)速度快和能耗低的特點,微光機電系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于光通信、生物技術(shù)以及航空航天等方面。系統(tǒng)中的光學(xué)元件在微驅(qū)動裝置驅(qū)動下對入射光束進行衍射、反射、光路通斷以及相位調(diào)制等控制,從而使微光機電系統(tǒng)具有光學(xué)校正、衰減、掃描成像和光開關(guān)功能。微驅(qū)動裝置是微光機電系統(tǒng)的核心部件,其性能優(yōu)劣決定了微光機電系統(tǒng)的性能和應(yīng)用場合,目前常用的驅(qū)動機制主要有壓電驅(qū)動[1]、靜電驅(qū)動[2]、電磁驅(qū)動[3]以及電熱驅(qū)動[4]等驅(qū)動方式,它們的共同特點就是需要額外的電磁激發(fā)裝置和導(dǎo)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(qū)動方式有很多獨特的優(yōu)點:①遠程非接觸式驅(qū)動,直接將光能轉(zhuǎn)化為機械能,消除機械傳動環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)簡單;②無導(dǎo)線連接,可以實現(xiàn)無線能源傳輸,避免電磁干擾,這些優(yōu)點使PLZT鐵電陶瓷在微光機電系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。鐵電材料PLZT陶瓷在紫外光源照射下可產(chǎn)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(shù)量級,被稱為反常光生伏特(Anomalous Photovoltaic)效應(yīng)。自從反常光生伏特效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來,眾多學(xué)者對其機制、數(shù)學(xué)模型、影響因素以及應(yīng)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(guī)律,然而并沒有指出反常光生伏特效應(yīng)機理[5];2000年,Poosanaas等人指出光學(xué)二次非線性是反常光生伏特效應(yīng)的原因,推導(dǎo)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(yīng)和漏電壓,推導(dǎo)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(shù)據(jù)對相關(guān)參數(shù)進行了數(shù)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(jì)90年代,一大批學(xué)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(shù)[13]等因素對PLZT鐵電陶瓷光致電場效應(yīng)的影響規(guī)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(chǔ),然而,PLZT陶瓷光致輸出特性及相關(guān)實驗現(xiàn)象并沒有得到合理的解釋。

PLZT陶瓷的反常光生伏特效應(yīng)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(yīng),學(xué)者們進行了一系列的應(yīng)用嘗試。1993年,Fukuda等人利用PLZT陶瓷光致電場產(chǎn)生的靜電力驅(qū)動微位移運動機構(gòu),提出了一種無線光驅(qū)動移動機器人[7];2007年,東南大學(xué)黃學(xué)良等人提出了PLZT陶瓷光致電場驅(qū)動的光電機[14],西北工業(yè)大學(xué)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(yè)大學(xué)的姜晶等人提出了光控壓電混合驅(qū)動,并用于懸臂梁的獨立模態(tài)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(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用已經(jīng)得到了一定程度的研究,但是現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型還不能很好地解釋光致電場的實驗現(xiàn)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(dǎo)了多場耦合下光致電場的數(shù)學(xué)表達式,并對實驗現(xiàn)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(tài)控制實驗研究,并提出了光生電壓驅(qū)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(tǒng)中應(yīng)用的可行性進行了探討。

1 多場耦合下PLZT陶瓷光致電場數(shù)學(xué)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(yīng)、熱釋電效應(yīng)以及反常光生伏特效應(yīng)等特性。在高能紫外光束照射下,由于光熱效應(yīng),PLZT陶瓷光照表面溫度升高,從而激發(fā)熱力場;同時,由于反常光生伏特效應(yīng),PLZT陶瓷產(chǎn)生光電耦合場;在熱膨脹效應(yīng)和壓電效應(yīng)共同作用下,形成力電耦合場。綜上,光照下的PLZT鐵電陶瓷內(nèi)部形成了復(fù)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(yīng)等綜合作用的結(jié)果。

圖1 高能紫外光下PLZT陶瓷光致電場能量轉(zhuǎn)化過程圖

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

①光焦熱效應(yīng)(光能→熱能轉(zhuǎn)換):由于光焦熱效應(yīng),入射光能一部分轉(zhuǎn)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(yīng)(光能→電能轉(zhuǎn)換):在反常光生伏特效應(yīng)作用下,一部分入射光能轉(zhuǎn)化為電能,實現(xiàn)光能向電能的能量轉(zhuǎn)化;

③熱釋電效應(yīng)(熱能→電能轉(zhuǎn)換):由于熱釋電效應(yīng),由光焦熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱能一部分轉(zhuǎn)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(chǎn)生;

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

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

從以上能量轉(zhuǎn)化分析可知,當(dāng)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(chǎn)生的綜合的光致電場是壓電電場(基于正壓電效應(yīng),使機械能向電能轉(zhuǎn)換)、熱釋電電場(基于熱釋電效應(yīng),實現(xiàn)熱能向電能轉(zhuǎn)換)和反常光生伏特電場(基于反常光生伏特效應(yīng),實現(xiàn)光能向電能轉(zhuǎn)換)相互疊加的結(jié)果。需要指出的是,在紫外光源照射下,由反常光生伏特效應(yīng)激發(fā)的反常光生伏特電場和由熱釋電效應(yīng)激發(fā)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(chǎn)生熱膨脹效應(yīng),其造成的熱致形變所激發(fā)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(shù)學(xué)模型

當(dāng)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(chǎn)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(lián)等效回路[18],基于PLZT鐵電陶瓷的等效電學(xué)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(shù),且τ1=RpCp。

由于光焦熱效應(yīng),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(yīng)作用下,兩端電極間會產(chǎn)生熱釋電電場。假設(shè)入射光的光強為I,結(jié)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(jù)熱釋電效應(yīng)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(dāng)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(jù)電容的電壓電流關(guān)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(jù)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(yīng)變系數(shù);Ya為PLZT鐵電陶瓷的楊氏模量。

在正壓電效應(yīng)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(fā)壓電電場。基于壓電效應(yīng)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(shù),i為PLZT鐵電陶瓷坐標(biāo)系中光致應(yīng)變的方向,i=1,2,3。

實際上,只有一部分熱致形變轉(zhuǎn)化為電場。通過反常光生伏特效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)和正壓電效應(yīng)的作用機制分析可知,在PLZT鐵電陶瓷內(nèi)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(nèi)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(fā)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(nèi)部的綜合電場產(chǎn)生了削弱作用。

通過以上分析可以得到各個效應(yīng)產(chǎn)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(nèi)部產(chǎn)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(zhuǎn)換系數(shù)。

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(tài)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(wěn)定狀態(tài),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(yīng)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(wěn)定狀態(tài);在D點出關(guān)閉光源,光生電壓迅速下降并表現(xiàn)有明顯的殘余電壓現(xiàn)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(yīng)和熱膨脹效應(yīng)不可忽略,因此200 mW/cm2光強下的光生電壓實驗曲線變化規(guī)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(wěn)定狀態(tài),并在此保持穩(wěn)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(yīng)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(wěn)定狀態(tài),因此此時綜合電場達到穩(wěn)定狀態(tài);在D點處關(guān)閉紫外光源,光生電壓迅速下降并產(chǎn)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(yīng),在其兩端電極間產(chǎn)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(gòu)建的光致電場數(shù)學(xué)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(yīng)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(yīng)有較大的影響,在進行光致電場和光致伸縮數(shù)學(xué)模型構(gòu)建時不可忽略光致溫升帶來的影響。

2 光致電壓動態(tài)控制實驗研究

2.1 單片PLZT鐵電陶瓷光生電壓ON-OFF閉環(huán)控制實驗

2.1.1 光生電壓ON-OFF閉環(huán)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(guān)閉來控制入射光的通斷,從而實現(xiàn)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(biāo)值在實驗開始之前設(shè)定,電壓數(shù)據(jù)信號通過高阻抗電壓表進行采集,然后利用微處理器對數(shù)據(jù)進行處理,根據(jù)處理結(jié)果向光快門控制電路發(fā)出控制信號。首先將光快門初始狀態(tài)置于開啟狀態(tài),當(dāng)PLZT鐵電陶瓷兩端電壓在紫外光源照射下達到目標(biāo)值時,通過數(shù)據(jù)處理并發(fā)送信號驅(qū)動光快門變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài),此時相當(dāng)于光停,當(dāng)PLZT陶瓷兩端電壓下降至低于目標(biāo)值時,通過控制器發(fā)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(huán)往復(fù),從而實現(xiàn)光生電壓的動態(tài)閉環(huán)控制。

圖3 單片PLZT鐵電陶瓷光生電壓ON-OFF閉環(huán)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(jié)果討論

為了對單片PLZT鐵電陶瓷光生電壓在ON-OFF閉環(huán)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(jié)果曲線如圖4 所示。首先進行光致電場響應(yīng)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(shù)據(jù);然后,設(shè)置控制目標(biāo)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(shù)據(jù)進行采集記錄。將以上兩組光生電壓實驗數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)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(huán)控制策略下可以使光生電壓保持在目標(biāo)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(tài)閉環(huán)控制的可行性。

在單片PLZT鐵電陶瓷光生電壓ON-OFF閉環(huán)控制試驗中,對不同光強和不同光生電壓控制目標(biāo)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(biāo)值進行設(shè)定。

圖5 不同光強下單片PLZT陶瓷光生電壓的多目標(biāo)控制曲線圖

如圖5(a)所示,在50 mW/cm2光強下設(shè)置控制目標(biāo)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(shè)定的控制目標(biāo)電壓值500 V,并在ON-OFF閉環(huán)控制下在500 V保持穩(wěn)定狀態(tài),然后修改控制目標(biāo)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(wěn)定狀態(tài)。光生電壓控制目標(biāo)值為500 V時的控制精度要優(yōu)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(yīng)速度小于目標(biāo)電壓為500 V時的響應(yīng)速度。

從圖5(b)中可以看出,在100 mW/cm2光強下設(shè)置控制目標(biāo)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(biāo)值越來越大,光生電壓的控制精度越來越不穩(wěn)定,這是由于控制目標(biāo)電壓值越小,光生電壓響應(yīng)速度越快,對于光快門的響應(yīng)速度要求越高。

將圖5(a)和圖5(b)中控制電壓目標(biāo)值為500 V的曲線相比較,50 mW/cm2光強下的動態(tài)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(yīng)速度也越大,光快門的響應(yīng)速度與高阻抗電壓表的采樣頻率不能滿足光生電壓響應(yīng)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(huán)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(huán)控制策略對單片PLZT鐵電陶瓷進行控制,能夠?qū)崿F(xiàn)光生電壓多目標(biāo)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(biāo)電壓值之間調(diào)節(jié)時間較長,且不能產(chǎn)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(xiàn)光生電壓的雙向調(diào)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(xié)調(diào)激勵控制實驗平臺,利用導(dǎo)電銀膠和導(dǎo)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(shù)據(jù)采集;兩臺紫外光源探頭分別對準(zhǔn)PLZT_1鐵電陶瓷和PLZT_2鐵電陶瓷,探頭與陶瓷之間均設(shè)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(fā)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(xié)調(diào)激勵控制策略實現(xiàn)光生電壓的雙向快速控制。根據(jù)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(xiàn)雙光源協(xié)調(diào)激勵控制?？刂屏鞒倘缦?實驗開始之前,首先啟動高阻抗電壓表和運行Labview軟件,設(shè)置控制目標(biāo)電壓值,將第一光快門置于“ON”狀態(tài),第二光快門置于“OFF”狀態(tài);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(chǎn)生光生電壓,光生電壓數(shù)據(jù)被反饋至微控制器,與控制目標(biāo)電壓值進行比較處理,然后根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出控制信號;如果公共電極間電壓達到所設(shè)定的控制目標(biāo)值,通過光快門控制電路關(guān)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(huán)往復(fù),從而實現(xiàn)光生電壓的雙向動態(tài)控制;可通過設(shè)置新的目標(biāo)電壓值實現(xiàn)不同光生電壓的控制目標(biāo)。

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(jié)果分析

通過雙光源協(xié)調(diào)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(tài)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(shè)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(xiàn)公共電極間電壓的雙向多目標(biāo)控制,在實驗中將控制電壓目標(biāo)值設(shè)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(biāo)值向1 000 V的目標(biāo)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(yīng)時間。然而,由于光快門的響應(yīng)速度較低,且高阻抗電壓表的采樣頻率較低,使得雙光源協(xié)調(diào)激勵的動態(tài)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(yīng)速度更快的光快門,提高光生電壓的響應(yīng)速度,從而提高雙光源協(xié)調(diào)交替激勵的動態(tài)控制精度。從以上分析可知,雙光源協(xié)調(diào)激勵控制策略可以有效實現(xiàn)光生電壓的雙向調(diào)控,為PLZT鐵電陶瓷在微機電系統(tǒng)中供能裝置的應(yīng)用提供依據(jù)。

3 潛在應(yīng)用

由于光致伸縮效應(yīng),PLZT陶瓷在紫外光照射下會發(fā)生形變,將光能直接轉(zhuǎn)化為機械能,沒有中間機械傳動環(huán)節(jié),可以實現(xiàn)遠程非接觸式控制,因此在微光機電系統(tǒng)和微驅(qū)動領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。然而,也存在一些問題阻礙了PLZT陶瓷光致伸縮效應(yīng)在微驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用:①PLZT陶瓷光致形變響應(yīng)速度緩慢(秒級),且光致形變響應(yīng)速度遠遠慢于光致電場的響應(yīng)速度[20];②PLZT陶瓷只能單向致動;③PLZT陶瓷存在明顯的殘余應(yīng)變,且殘余應(yīng)變恢復(fù)時間較長,這些問題嚴(yán)重限制了PLZT陶瓷在驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用,特別是在高頻驅(qū)動場合的應(yīng)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(chǎn)生高達103V/cm～105V/cm的光生電壓,響應(yīng)速度快(毫秒級),并且可以通過光源照射調(diào)節(jié)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(qū)動器的供能裝置,從而避免直流電源等高壓發(fā)生設(shè)備,減弱電磁干擾,符合輕質(zhì)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(dǎo)線的限制,通過調(diào)節(jié)入射光進行精確控制。

圖8 光電-靜電復(fù)合驅(qū)動扭轉(zhuǎn)微鏡示意圖

基于PLZT鐵電陶瓷的光生電壓驅(qū)動,提出了一種光電-靜電復(fù)合驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu),兩端公共電極與靜電扭轉(zhuǎn)微鏡的驅(qū)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(zhuǎn)梁進行支撐,微鏡鏡面背部對稱設(shè)有鏡面電極,在基底上部設(shè)有相對應(yīng)的驅(qū)動電極,鏡面電極與基底驅(qū)動電極間形成電極板式靜電驅(qū)動機構(gòu);扭轉(zhuǎn)梁受到靜電力作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,從而實現(xiàn)微鏡的扭轉(zhuǎn)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(xiàn)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(diào)節(jié)微鏡旋轉(zhuǎn)角度和方向,實現(xiàn)對光束的光控調(diào)節(jié)。

微泵是微流控系統(tǒng)中重要的執(zhí)行部件,是微流控系統(tǒng)的核心,被廣泛應(yīng)用于藥物微量輸送和配給、生物化學(xué)分析、芯片系統(tǒng)冷卻以及微小衛(wèi)星的推進等領(lǐng)域。目前應(yīng)用較多的是容積式微泵,通過泵膜的周期性往復(fù)運動引起泵腔容積的周期性變化,從而實現(xiàn)液體的泵送。泵膜的驅(qū)動方式?jīng)Q定了微泵的性能和應(yīng)用場合,目前主要有電磁驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動、熱驅(qū)動、壓電驅(qū)動、電液動力驅(qū)動和靜電驅(qū)動等方式,但均需要額外的電磁發(fā)生裝置,無法避免電磁干擾,且不易微小型化?；赑LZT陶瓷光生電壓驅(qū)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(yōu)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(dǎo)線孔圖9 PLZT陶瓷-介電彈性體薄膜復(fù)合驅(qū)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(fù)合驅(qū)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(dǎo)電銀線通過導(dǎo)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(shè)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(lián)泵腔;當(dāng)紫外光源Ⅰ照射PLZT_1陶瓷時,光生電壓驅(qū)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(jīng)入水閥流進容腔內(nèi),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(nèi)凹陷,泵腔容積減小,液體經(jīng)出水閥排出容腔,當(dāng)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(xiàn)連續(xù)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(diào)節(jié)進行控制。

4 結(jié)論

本文對多場耦合下PLZT鐵電陶瓷光致電場效應(yīng)及其控制進行了研究,并提出了一些潛在應(yīng)用器件。首先,對多場耦合下PLZT陶瓷的光致電場數(shù)學(xué)模型進行了推導(dǎo),該數(shù)學(xué)模型能夠?qū)嶒灛F(xiàn)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(huán)控制策略,并進行了實驗驗證,實驗結(jié)果表明ON-OFF閉環(huán)控制策略可以實現(xiàn)多目標(biāo)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(xié)調(diào)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(zhuǎn)換器件的可能性;在此基礎(chǔ)上,提出了光電-靜電復(fù)合驅(qū)動扭轉(zhuǎn)微鏡和基于PLZT陶瓷光生電壓驅(qū)動的光控微泵等潛在應(yīng)用器件。

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