椭圆振动辅助纳米压印执行器的研制及实验研究

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纳米结构表面是指拥有可重复的纳米特征阵列结构的表面,可具备超亲水性、超疏水性、抗反射、增强拉曼散射等功能特性。纳米结构表面一般使用纳米压印技术制造,热压印、紫外压印等传统技术的加工效率太低,机械纳米压印可以快速大面积的制造纳米结构表面,但目前国内外纳米压印执行器的工作频率与振幅较低,需要进一步研究。本文基于机械纳米压印的工作原理,对纳米压印执行器的理论分析、模型建立、结构设计以及频率与振幅的测量实验展开了系列的研究。分析机械纳米压印的工作原理以及长时间加工纳米结构阵列表面所使用的方法,针对纳米结构表面质量,研究纳米压印执行器尖端椭圆运动轨迹,通过纵弯复合共振模态维持执行器尖端的椭圆轨迹。建立椭圆轨迹的参数方程,进而确定椭圆轨迹水平与垂直尺寸参数。根据机械纳米压印的加工机制建立执行器工作频率与纳米压印加工效率之间的关系,得到执行器工作频率、振幅和纳米结构表面加工效率的优化配比。明确执行器的压电驱动方式,搭建执行器驱动实验系统对驱动方式进行验证。分析不同结构变幅杆的特性,建立前端增加阶梯状变幅杆结构的执行器仿真分析模型,分析执行器纵向与弯曲方向的共振频率,得到执行器不同部分的结构参数的变化对执行器两个方向共振频率的影响规律,给出保证执行器纵向与弯曲方向共振频率差值较小的条件下高工作频率的执行器结构参数。建立不同执行器阶梯状变幅杆结构仿真分析模型,研究不同变幅杆结构执行器的共振频率,得到执行器结构共振频率的变化规律。研究不同安装点位置对执行器共振频率的影响,获得合适的安装点位置,完成纳米压印执行器制作。组装不同结构的纳米压印执行器,搭建执行器性能测试实验系统,对不同结构的纳米压印执行器性能进行测试。获得不同结构的执行器纵向与弯曲方向的共振频率和振幅,对仿真结果进行验证。给出执行器纵振与弯振之间频率差值调整的方法,进行纳米压印执行器纵振与弯振之间频率差值实验,验证方法的可行性。进行纳米压印执行器轨迹实验,获得执行器尖端的椭圆轨迹,验证纳米压印执行器结构设计的正确性。
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