基于PLZT光致形变特性的光控微夹钳设计分析与仿真研究(2)
本课题基于PLZT陶瓷作动器的“绿色驱动”和“直接驱动”的优点，将PLZT陶瓷的光致形变特性应用到微夹钳驱动装置当中，克服了一些传统的，以电磁方式驱动的微夹钳的电磁干扰问题，实现了微夹钳的较远距离遥控控制，开创了一种新型的微夹钳的研究和设计方向，提出了一种新型的光控微夹钳装置。所设计的光控微夹钳不仅具有抗电磁干扰的特点，且具备传统驱动方式无法比拟的优点，如光控非接触驱动、可遥控等，尤其适用于特殊环境下（真空或类真空环境）的微操作。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 微夹钳国内外研究现状
1.3 本课题研究内容
（1）在阅读大量文献的基础上，考察国内、外微夹钳的研究现状，概括了各种驱动机制微夹钳的优劣，提出光控微夹钳的必要性及发展前景。
（2）探讨光致形变材料PLZT陶瓷的特性及光驱动机理，对PLZT陶瓷材料的物理机理与本构数学关系推导，为PLZT光控微夹钳的特性研究奠定基础。
（3）将光致形变材料应用到微驱动领域，利用高级三文建模软件ProE，设计出三种光控微夹钳的结构图和工程图，并择优选用一种，对其建立力学模型和数学模型。
（4）掌握有限元分析软件ANSYS，并能运用Workbench模块对设计的光控微夹钳进行有限元分析，以及对PLZT双晶片进行挠度分析，将理论结果与仿真分析结果相比较，验证其准确性。
2 PLZT陶瓷光致伸缩特性及其作动器构型
2.1 PLZT陶瓷光致形变机理
2.1.1 PLZT陶瓷的物理性能
PLZT陶瓷是铁电材料的一种，它与热释电材料以及压电材料的关系如下图2-1所示。
图2-1 PLZT陶瓷与热释电材料以及压电材料的关系
由上图可知，PLZT陶瓷具有铁电材料、热释电材料与压电材料的一些特性：即压电效应、热释电效应、反常光生伏特效应以及光致伸缩效应。其中，光致伸缩效应又与压电效应、热释电效应、反常光生伏特效应紧密相连。在此，需要补充说明一点，未极化的PLZT陶瓷是不会显示极性的，也不具有以上所说的各种物理特性，只有PLZT陶瓷上镀上电极，并将其在一定温度上进行极化，PLZT陶瓷才具有压电效应、热释电效应、反常光生伏特效等特性。
2.1.2 PLZT陶瓷的反常光生伏特效应
PLZT陶瓷光致伸缩机理的最重要环节是反常光生伏特效应。光生伏特效应是指某些材料受到光照时，材料内的电荷分布状态发生了改变，并产生电动势和电流的一种效应。光生伏特效应是一种光电效应。
然而，在铁电材料中存在一种性质完全不同的光生伏特效应，当均匀的铁电晶体受到波长在晶体本征吸收区域或者杂志吸收区的光均匀辐照时，若晶体处于短路状态，晶体和外电路中将出现光电流；若晶体处于开路状态，晶体两端将产生高的光生电压，此电压不收晶体电子禁带宽度的限制，可比禁带宽度大2到4个数量级[22]；这一特殊的光生伏特效应是一种体效应，人们称之为反常的光生伏打效应，简称之为APV效应。
对于PLZT陶瓷而言，当高能光束照射到PLZT陶瓷表面时，高能光束所提供的能量比PLZT陶瓷的禁带宽度和杂质宽度都高，陶瓷表面的束缚电子吸收光子能量从价带激发到导带变成光生载流子，光生载流子在有效极化内电场的作用下眼剩余极化方向运动，在PLZT陶瓷中产生光电流，并在极化方向上产生 的光生电压[23]，但需要强调的是，光生电压只能在极化方向上产生，且在PLZT陶瓷中产生的光生电场方向和剩余极化方向相同。
2.1.3 PLZT陶瓷的光致伸缩
PLZT陶瓷是一种压电陶瓷，因此具有逆压电效应，当高能光束照射时，会产生光生伏打，光生伏打将促使PLZT陶瓷在极化方向和非极化方向上产生机械变形；由于反常光生伏打效应产生的电场方向与PLZT陶瓷的极化方向相同，因此在高能光束照射下，PLZT陶瓷在极化方向上是伸长的。PLZT陶瓷的光致伸缩效应是由光-电-热-力多物理场耦合作用的结果，本文采用的光源为紫外冷光源，固可忽略光照过程PLZT陶瓷晶体本身的温度变化（即不考虑热释电效应），则光致伸缩效应可以看作是反常光生伏特效应与逆压电效应的叠加，如图2-2所示。