作為一種重要的機電轉換功能性資料，壓電陶瓷資料及器件深刻影響著智慧傳感、精密驅動、換能等高科技領域，在航太航空、生物醫學操作、光通訊、微/納米機電系統（M/NEMS）、鐳射制導、可穿戴柔性電子及無線傳感網絡等應用場景中發揮著關鍵性作用。一般來說，壓電陶瓷器件需要工在特定的振動模態。囙此，對於傳統的壓電器件來說，為了激發所需要的振動模態，需要將外部激勵訊號的頻率設定為所需振動模式的本征頻率（即自然共振或特徵頻率）。由於連續彈性介質的本征頻率取決於幾何結構、資料參數和約束條件等，且本征頻率的數量是無限的，囙此會不可避免地導致結構尺寸設計與本征頻率和工作模態的不可調和、主振動模態與寄生模態之間的嚴重耦合等問題；而在非本征頻率下，又很難有效激發出所需振動模態。這些問題長期限制了壓電陶瓷器件的設計與發展。
三維超構激發人工壓電振動模態
近日，深圳大學高等研究院/北京大學資料學院董蜀湘教授課題組在壓電超資料設計思想的啟發下，通過壓電材料的三維有序智慧構造，即通過壓電陶瓷應變基元按一定順序沿三維空間有序排列的構造（3D OSPSU），可以在很寬的非本征頻率範圍（從准靜態到超聲頻率範圍），人工地激發出所需要的各種基本振動模態。具體的來說，設計了一種壓電陶瓷應變基元按照（2×2×2）矩陣序構、並通過多層共燒製備的壓電陶瓷獨石體智慧結構；利用應變基元之間線性及非線性應變的協同效應，人工構造出彎曲、伸縮、剪切、扭轉等非諧振基本模態或它們之間的複合模態，見圖1所示三維超構理論模型。通過壓電應變基元的協同效應，增强某一或某些方向上的變形，可以獲得自然壓電陶瓷沒有的、甚至增强的壓電係數。人工構造出的錶觀壓電係數甚至可以比自然壓電係數高出數十倍甚至數百倍。囙此，那些在非諧振狀態下很難產生的振動模態都可以按照超構設計思想有效的激發出來。通過一個可程式設計驅動電路驅動，可進一步獲得可程式控制多模態激發功能，見圖2。將多個壓電陶瓷智慧結構疊加在一起時，還可以獲得大尺寸、高階或複合振動模態。這種壓電三維超構理論思路，打破了傳統壓電振動理論的限制，有望為未來壓電器件的設計開闢全新的發展方向。
圖1應變基元、三維超構、應變協同機理及人工振動模態之間關係的理論模型
圖23D OSPSU的可程式控制、非諧振人工模態激發
首次利用單個壓電陶瓷獨石體產生五自由度微納米驅動
為了驗證提出的理論模型的有效性，通過多層共燒方法製備一個獨石狀壓電陶瓷3D OSPSU智慧結構，測試了彎曲、伸縮、剪切、扭轉等幾個主要振動模態。進一步，利用共燒製備的壓電陶瓷獨石體構造了一個五自由度微-納米驅動平臺，即一個單個的壓電陶瓷獨石體就可產生五個自由度的超高精密運動，見圖3。產生的五自由度運動包括：沿x-軸、y-軸、和z-軸微-納米平動、以及繞x-軸和y-軸微秒弧度轉動。測試顯示這個壓電陶瓷獨石體在三個平動自由度及兩個轉動自由度上產生的最小分辯率分別為3.5 nm、3.2 nm、3.0 nm、0.043“及0.045”（開環控制、普通實驗室環境），顯示出使用3D OSPSU方法論構造多自由度、多功能超精密壓電器件的巨大潜力。
圖3基於3D OSPSU智慧結構構造的五自由度微-納米驅動平臺及測試數據
這一成果近期發表在Advanced Materials上，文章的第一作者是北京大學資料學院2018級博士生李占淼，董蜀湘教授是本文通訊作者，深圳大學為本文通訊組織。
論文資訊：https://doi.org/10.1002/adma.202107236，“Designing Artificial Vibration Modes of Piezoelectric Devices Using Programmable，3D Ordered Structure with Piezoceramic Strain Units”，Zhanmiao Li，Xingyu Yi，Jikun Yang，Lang Bian，Zhonghui Yu，and Shuxiang Dong*.