研究背景：

高精度定位和驱动技术已广泛应用于航空航天、生物医学、微型机器人等领域。随着高端精密设备和智能系统的不断发展，应用场景往往涉及狭小空间，需要执行器既有微型化的尺寸又兼具大的推力。相较于电磁式、磁致伸缩、介电弹性体、形状记忆效应等类型的执行器，压电执行器具有精度高、抗电磁干扰、断电自锁和结构紧凑等优点，在微型化方面具有很强的竞争优势。传统的压电执行器的制备方式主通过胶水将压电材料手工粘贴在定子表面，不可避免地存在体积大、组装复杂、效率低且一致性差等问题，无法进一步实现小型化和推力密度的提升，难以满足现在一些领域的应用需求。因此，亟待探索新型设计制造方法及制造工艺，以满足微型压电执行器的高推力密度需求。

文章概述：

大连理工大学王大志、冯译文课题组提出了一种基于同或逻辑运算(XNOR)的单模态驻波双向直线驱动型压电执行器（LPMA）的通用变形设计准则，发展出基于MEMS工艺大面积阵列制备微型压电执行器的通用新技术，在晶圆级的整片压电材料上制备导电电极、绝缘层、联通线多层微结构，最后通过激光切割取出单颗压电执行器，可制备不同规格尺寸的执行器。单颗压电驱动器的厚度仅为0.6mm，驱动电压为80V_p-p时，执行器产生的最大空载速度为76.2 mm×s^-1，最大推力为58mN，推力密度（推力与驱动器体积之比）可达12.08mN×mm^-3。该设计与制造技术对高推力密度压电执行器的研发具有指导和借鉴意义。

图文导读：

图1.LPMA的通用设计准则：(a) 压电超声电机的典型结构组成；(b) 基于XNOR逻辑运算的变形编码准则；(c) 驱动足的合理布放区域

图2.B3/B4型LPMA的设计及驱动机理：(a) B3/B4型LPMA的电极分区设计；(b) LPMA的参数化建模；(c) B3/B4型LPMA的变形云图；(d) B4模式下驱动足的运动轨迹；(e) B3模式下驱动足的运动轨迹

图3.LPMA参数模型有限元分析：（a-d） B3/B4模态频率与参数He、Hp、L、W的相关性；（e-l） B3/B4模态振动幅值随He、Hp、L、W参数变化的曲线

图4.LPMA的工艺流程及扫描电子显微镜（SEM）表征：（a） LPMA的结构组成图；（b） 基于MEMS技术的LPMA制备工艺流程；（c） 晶圆级压电驱动器阵列的样件；（d） 不同尺寸的LPMA的样件；（e） LPMA表面截面的微结构

图5.LPMA的阻抗分析及激光多普勒测试：（a-b） 阻抗和相位测试曲线；（c-d）B3/B4模态激光多普勒测试的振型云图；（e-f） B3/B4模态的时域振幅曲线

图6. B3/B4型LPMA的综合性能测试分析：（a） 测试平台结构示意图；（b） 预压力与空载速度的关系；（c-d） B3/B4模态驱动的不同频率下的空载速度；（e）不同电压下，B3模态驱动的空载速度和最大带载能力；（f） 不同电压下，B4模态驱动的空载速度和最大带载能力；（g） B3/B4模态驱动的不同负载下的带载速度

结论：

为了实现压电驱动器的小型化和高推力密度，研究团队提出了基于XNOR逻辑运算的压电执行器通用数字逻辑变形设计准则，并设计了两端固定的单模态驻波直线压电执行器（LPMA）。利用有限元软件研究了关键参数对执行器模态频率和幅值的影响规律。在此基础上，提出了一种利用MEMS工艺制造LPMA阵列的通用新技术。在2英寸PZT晶圆上制备了一组B3/B4弯曲型驻波驱动的LPMA阵列，并可制备不同规格和尺寸的执行器。对制备的B3/B4型LPMA的性能进行了综合测试和分析，尺寸为8mm×1mm×0.6mm，重量仅为20mg，非常适合在狭小空间内进行运动。当驱动电压为80Vpp时，最大空载速度达76.2mm×s^-1，带载能力可达22.3mm×s^-1@35mN，最大推力密度为12.08mN×mm^-3。研究团队提出的设计方法和制造工艺为高质量批量生产压电执行器提供了新的解决方案，并可推广到各种弯曲型压电致动器的制造中。在光学系统、移动终端等狭窄空间和精密驱动领域具有广阔的应用前景。

论文信息：

Digital Logic Deformation Design and Wafer-Level MEMS Manufacture of Linear Piezoelectric Microactuator With High-Thrust-Density

Zefei Li, Yiwen Feng, Fengshu Wang, Xiaopeng Zhang, Ran Zhang, Xu Chen, Chang Liu, Yikang Li, Xiangji Chen, Lingjie Kong, Shiwen Liang, Dazhi Wang

Advanced Materials Technologies

DOI:10.1002/admt.202502069

原文链接：

https://doi.org/10.1002/admt.202502069

期刊介绍：

Advanced Materials Technologies是跨学科研究的家园，涉及材料科学、创新技术与现实世界应用。无论是能源、医疗保健、电子、光学、微流体、传感器还是环境技术，我们欢迎所有应用材料主题，特别强调先进设备的设计、制造与集成。