本发明材料科学中的力电耦合，具体涉及一种挠曲电式高精度作动器。
背景技术：
1、随着科技的发展，微纳米技术被广泛应用于生物医学、航空航天、微电子等领域。为了满足微纳米系统的开发需求，能够精确驱动和定位的微作动器变得十分重要。这种精确操纵要求在微米甚至纳米范围内产生精确、稳定的运动效果。传统的微位移作动器受限于其机械结构的摩擦、变形等问题，精度一般在微米量级，并不能完成微纳尺度下的操纵。压电材料的出现，为微纳量级的操纵提供了可行方案。压电效应是一种存在于非中心对称晶体中的力电耦合效应。当非中心对称晶体受到均匀拉力或压力时，能够输出极化电荷，这种机制被称为正压电效应。反之，当晶体材料受到电场作用时，能够产生体积膨胀或者收缩，这种效应称为逆压电效应。压电式作动器是利用逆压电效应，通过控制输入电压值的大小来控制形变。如kwon等人制备了分辨率最高为1纳米(10-9m)的压电驱动直线马达(kwonk,cho n,jangw.the design and characterization of a piezo-driven inchwormlinear motor with a reduction-lever mechanism[j].jsme international journalseries c mechanical systems,machine elements and manufacturing,2004,47(3):803-811.)。polit等设计了一种压电驱动的纳米定位平台，其位移分辨率约为1纳米(polit,dong j.development ofahigh-bandwidth xy nanopositioning stage forhigh-rate micro-/nanomanufacturing[j].ieee/asme transactions on mechatronics,2010,16(4):724-733)。随着纳机电系统(nems)的发展，特别是更微小材料及结构的形貌观测，更精密的作动精度或者更高的位移分辨率成为了新的发展需求。在超精密位移测量领域中，纳米量级已经无法满足相关要求。因此，研究新型力电耦合效应，设计大尺寸、高精度的作动器，对超精密位移测量以及原子级微观结构观测具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明的目的在于解决现有技术中存在的驱动器精度不足以用于微纳米系统中的精确驱动和定位等问题，提供一种挠曲电式高精度作动器，本发明应用反挠曲电效应，使得作动器核心电介质元件在相同驱动电压下可以产生更加精细的弯曲振动，从而满足驱动器的超高分辨率(皮米级)需求，进而实现微纳系统中的超精密作动及定位。
2、为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
3、本发明的目的是提供一种挠曲电式高精度作动器，包括：电介质元件和作动器，所述作动器包括上t形台和下t形台，所述上t形台包括上竖臂和上悬臂，上竖臂的上端部和上悬臂的横端连接，所述下t形台包括下竖臂和下悬臂，下竖臂的下端部和下悬臂的横端连接；所述上竖臂和所述下竖臂连接，所述上悬臂的下表面均涂覆有第一电极层，所述下悬臂的上表面均涂覆有第二电极层，电介质元件的一端夹持在所述上竖臂和下竖臂之间，另一端沿作动器的高度方向自由上下振动，作动器受到电学信号激励时，通过第一电极层和第二电极层产生均匀电场，电介质元件在电场作用下产生弯曲，进行位移信号输出。
4、在一个优选的实施例中，所述上竖臂和下竖臂连接端设有凹槽，电介质元件的一端插嵌在所述凹槽内，电介质元件插嵌的长度为电介质元件长度的五分之一。
5、在一个优选的实施例中，所述上t形台包括两个结构相同的上直角台，两个所述上直角台的直角面之间可拆卸，每个所述上直角台的下端设有一个上凹槽。
6、在一个优选的实施例中，所述上t形台和下t形台在电介质元件的水平面上呈对称结构，所述下t形台包括两个结构相同的下直角台，两个所述下直角台的直角面之间可拆卸，每个所述下直角台的上端设有一个下凹槽，所有所述上凹槽和所有所述下凹槽构成所述凹槽。
7、在一个优选的实施例中，每个所述上直角台或下直角台的直角面和水平面上均设有螺纹通孔，位于直角面或水平面上同一直线的螺纹通孔通过螺栓螺接。
8、在一个优选的实施例中，所述电介质元件的绝对厚度为20μm～2mm。
9、在一个优选的实施例中，所述第一电极层和第二电极层的厚度为10-9～10-4m。
10、在一个优选的实施例中，所述第一电极层和第二电极层为铜、银、金或铂层。
11、在一个优选的实施例中，当作动器受到电学信号激励时，第一电极层和第二电极层产生均匀电场后，诱导电介质元件产生高阶应力，高阶应力的计算公式为：
12、τ113＝-μ1133e3；
13、式中，τ113为高阶应力，μ1133为挠曲电系数，e3为电场；
14、电介质元件产生等效弯矩，等效弯矩的的计算公式为：
15、
16、式中，meff为弯矩，h为厚度，dx3为厚度方向上的微元；
17、使得悬臂梁产生厚度方向上的应变梯度后，在电介质元件产生弯曲振动，从而输出随驱动电压变化的位移w，其中应变梯度的计算公式为：
18、
19、式中，κ为曲率，η113为应变梯度，w为挠度，为偏导符号，为对长度方向上的偏导。
20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21、1、本发明提供的挠曲电式高精度作动器，将电极设计在上t形台和下t形台的上臂梁和下悬臂上，将无电极的核心电介质元件进行一端固定，元件的自由端可以沿着厚度方向上下振动，通过第一电极层和第二电极层产生均匀电场，电介质元件在电场作用下产生弯曲，进行位移信号输出，应用反挠曲电效应，使得作动器核心电介质元件在相同驱动电压下可以产生更加精细的弯曲振动，从而满足驱动器的超高分辨率(皮米级)需求，进而实现微纳系统中的超精密作动及定位。
22、2、本申请将电极设计在上t形台和下t形台的上臂梁和下悬臂上，避免核心元件受到破坏(如涂镀电极、电压击穿等)，有望实现核心电介质元件的重复利用，从而降低使用成本。
23、3、本发明采用的上t形台和下t形台为可拆卸方式，不受核心电介质元件的尺寸限制并且方便组装，也适用于不同电介质材料中的挠曲电效应测量。
1.一种挠曲电式高精度作动器，其特征在于，包括：电介质元件(101)和作动器(2)，所述作动器(2)包括上t形台(201)和下t形台(202)，所述上t形台(201)包括上竖臂和上悬臂，上竖臂的上端部和上悬臂的横端连接，所述下t形台(202)包括下竖臂和下悬臂，下竖臂的下端部和下悬臂的横端连接；所述上竖臂和所述下竖臂连接，所述上悬臂的下表面均涂覆有第一电极层(301)，所述下悬臂的上表面均涂覆有第二电极层(302)，电介质元件(101)的一端夹持在所述上竖臂和下竖臂之间，另一端沿作动器(2)的高度方向自由上下振动，作动器受到电学信号激励时，通过第一电极层(301)和第二电极层(302)产生均匀电场，电介质元件(101)在电场作用下产生弯曲，进行位移信号输出。
2.根据权利要求1所述的挠曲电式高精度作动器，其特征在于，所述上竖臂和下竖臂连接端设有凹槽(203)，电介质元件(101)的一端插嵌在所述凹槽(203)内，电介质元件(101)插嵌的长度为电介质元件(101)长度的五分之一。
3.根据权利要求2所述的挠曲电式高精度作动器，其特征在于，所述上t形台(201)包括两个结构相同的上直角台(204)，两个所述上直角台(204)的直角面之间可拆卸，每个所述上直角台(204)的下端设有一个上凹槽。
4.根据权利要求3所述的挠曲电式高精度作动器，其特征在于，所述上t形台(201)和下t形台(202)在电介质元件(101)的水平面上呈对称结构，所述下t形台(202)包括两个结构相同的下直角台(205)，两个所述下直角台(205)的直角面之间可拆卸，每个所述下直角台(205)的上端设有一个下凹槽，所有所述上凹槽和所有所述下凹槽构成所述凹槽(203)。
5.根据权利要求4所述的挠曲电式高精度作动器，其特征在于，每个所述上直角台(204)或下直角台(205)的直角面和水平面上均设有螺纹通孔，位于直角面或水平面上同一直线的螺纹通孔通过螺栓螺接。
6.根据权利要求1所述的挠曲电式高精度作动器，其特征在于，所述电介质元件(101)的绝对厚度为20μm～2mm。
7.根据权利要求1所述的挠曲电式高精度作动器，其特征在于，所述第一电极层(301)和第二电极层(302)的厚度为10-9～10-4m。
8.根据权利要求7所述的挠曲电式高精度作动器，其特征在于，所述第一电极层(301)和第二电极层(302)为铜、银、金或铂层。
9.根据权利要求1所述的挠曲电式高精度作动器，其特征在于，当作动器受到电学信号激励时，第一电极层(301)和第二电极层(302)产生均匀电场后，诱导电介质元件(101)产生高阶应力，高阶应力的计算公式为：
