材料科学与工程学院董蜀湘课题组通过“脚踏自行车”仿生运动设计纳米分辨率、高功率密度压电马达

课题组提出一种工作于第二阶弯曲（B2）单振动模态、具有纳米分辨率和高功率密度特征的新型微型直线压电马达（LPUM）。本发明提出的高功率密度压电马达具有优秀的综合驱动性能——结构紧密、集成度高、负载大、功率密度高、步进分辨率高，在航天工程、半导体器件加工、医学操作、光通信等领域都将会有广阔的应用空间。

　　

超高精密定位与微纳操作、驱动技术在国家战略产业发展和尖端科学研究中占据有极其重要的地位，广泛应用于航天工程、半导体微电子加工、生物医学、光通信等领域。而压电马达因其具有的分辨率高、无电磁干扰、行程长、速度快、噪声低、断电自锁等优势，在众多的驱动执行器件中脱颖而出。但是，对于绝大多数压电马达来说，高速运动能力和高步进分辨率都是难以兼顾的，如非谐振式压电马达适合应用于对步进分辨率要求高的场景，但运动速度十分缓慢；谐振式压电马达具有更高的运动速度和驱动能力，但步进分辨率较低。随着高精密技术的进一步发展，为满足工业领域和科学研究的多样化需求，实现微型化压电马达在高输出力、宽运动速度范围、高步进分辨率上的兼顾是一项重要的挑战。

近日，北京大学材料科学与工程学院董蜀湘教授课题组受到脚踏自行车运动机理的启发，提出了一种工作于第二阶弯曲（B₂）单振动模态、具有纳米分辨率和高功率密度特征的新型微型直线压电马达（LPUM）。结合B₂模态反对称振型特性，在振型的位移振幅最大的两个部位设计一对左、右摩擦耦合驱动头，分别产生具有180°相位差、但具有同向运动轨迹的椭圆振动。类似于两个脚踏板，左右两个驱动头可在一个振动周期内交替的地驱动一个滑块产生直线运动；即一个周期内，可以实现两次交替、同向驱动滑块运动，而不是传统的压电直线马达一个周期内只能驱动滑块运动一次，因此，显著改善了压电马达的输出力和运动性能。

仿脚踏自行车运动机理的模拟示意图

高功率密度压电马达的测试结果：步进位移、分辨率、速度、输出功率、以及效率随负载的变化情况

受脚踏自行车运动驱动机理启示，相应设计的压电陶瓷工作在d₃₁模式和d₁₅模式及它们的协同作用。研制的压电马达表现出优秀的综合驱动特性：快的驱动速度（211mm/s），较大的驱动力（5.4 N），以及高的功率密度（243 mW/cm³），是已有报道的两倍以上。同时，提出的新型仿生运动压电马达可以在很宽的运动速度范围（3.3 μm/s ~ 211 mm/s）内工作，具有超高的步进位移分辨率（33nm）。同时，提出的压电马达工作在单振动模态，也可以有效克服传统依靠复合模态工作的压电马达存在的结构设计复杂、功耗大、易受环境温度变化影响的弊端。

本发明提出的高功率密度压电马达具有优秀的综合驱动性能——结构紧密、集成度高、负载大、功率密度高、步进分辨率高，在航天工程、半导体器件加工、医学操作、光通信等领域都将会有广阔的应用空间。同时，本研究也证实了仿生运动策略对压电器件设计的启发意义。

这一成果近期发表在国际工业电子领域顶级期刊：IEEE Transactions on Industrial Electronics（JCR分区：Q1）上，题目为“A High-Power-Density Piezoelectric Actuator Operating in Bicycling Movement Mechanism”，（DOI：10.1109/TIE.2022.3190900）。文章的第一作者是北京大学材料学院2018级博士生李占淼，董蜀湘教授是本文通讯作者。该成果同时已申报中国发明专利一项。