（测试计量技术及仪器专业论文）纳米级步进压电微动台结构设计与性能分析研究.pdf

摘要作为纳米技术中的关键环节，步进压电精密驱动技术是现代精密驱动技术中的热门研究领域之一，并且正在朝着高精度、高分辨率的方向加以提高，一些新方法、新原理和新技术不断涌现出来。本文对外驱动和内驱动两种驱动方式的步进压电微动台的工作原理、运动方式及动力学模型进行了详细地分析和研究。设计了外驱动型和内驱动型纳米级步进压电微动台的结构，外驱动型微动台以采用新颖的“推一拉原理为基础，通过合理安排驱动器的位置，将压电陶瓷的驱动力直接加载在微动平台，从而保证系统的刚度，获得较大驱动力和行程。提出了一种新型s t m 样品移送系统的扫描隧道显微镜机械结构并设计了该系统的内驱动型微动台结构。建立了压电微动台的动力学结构模型，并对其夹紧机构和驱动机构的受力情况进行了理论分析。采用有限元分析软件a n s y s ，进行了压电微动台的静、模态特性分析，得出了步进压电微动台位移、应力分布、驱动能力、固有频率和振型。对外驱动型微动台的结构进行仿真计算，分析了结构参数对步进压电微动台特性的影响，得到了压电微动台的固有频率和振型。通过正交试验法，得到了影响固有频率和振动幅值的最优条件，其中微动台导轨宽度的影响较大，最优的设计参数为：载物台高1 0 m m ，壁厚5 m m ，导轨宽5 5 r a m ，从底座到连接块的高4 4 m m 。通过逐步回归分析方法，建立外驱动型步进压电微动台的4 个因素和第一阶固有频率之间的的最优回归方程，该定量分析对纳米级步进压电微动台的设计和控制具有重要价值。完成了压电微动台驱动控制系统的设计，研制了抗干扰、控制方便的压电陶瓷驱动电源。通过对外驱动型微动台的各个参数进行了详细的试验测量，验证了动力学模型和有限元分析结果，满足纳米级的微位移、较大驱动力和行程的要求。该微动台的重复性实验结果较好，获得了匀速连续稳定的运动。该微动台具有大行程纳米测量机等好的实际应用前景。建立了s t m 微动台实验控制电路，对内驱动型微动台通过实验，验证了有限元分析结果，可以满足纳米级的微位移系统的要求，具有较大驱动力和行程。该微动台的载物力约为1 6 7 n ，步进频率5 0 h z时速度达到2 6 4 9 m s ，分辨率为驱动电压1 0 v 时约为8 8 4 n m ，在1 4 r a m 的整个行程范围内具有较好的大行程稳定性。该微动台被运用在s t m 系统，实现了对原子实空间图像的观察。分析了附加因素对该驱动器的影响，针对这些因素的影响提出了相应的解决办法和措施。关键词：压电微动台纳米技术有限元分析结构设计正交实验a b s t r a c ta st h ek e ys t e po fn a n o - t e c h n o l o g y , s t e p p i n gp i e z o e l e c t r i cp r e c i s ed r i v i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h e h o tr e s e a r c hf i e l d so fm o d e r np r e c i s ed r i v i n gt e c h n o l o g y , a n di si m p r o v e dt o w a r d sh i g h p r e c i s i o na n dh i g h - r e s o l u t i o nw i t ht h ee m e r g e n c eo fs o m en e wm e t h o d s ，n e wp r i n c i p l e sa n dn e wt e c h n o l o g i e s i nt h i sp a p e r , ad e t a i l e da n a l y s i sa n ds t u d yf o rt h es t e p p e rp i e z o e l e c t r i cm i c r o m o v i n gs t a g ew i t h b o t he x t e r n a la n di n n e rd r i v i n gi sd o n et h r o u g ht h e i rw o r k i n gp r i n c i p l e s 、m o v e m e n t sa n dk i n e t i cm o d e l s b o t ht h ee x t e r n a l - m i c r o - m o v i n gs t a g ea n di n n e r - m i c r o m o v i n gs t a g en a n o - s t e p p e rp i e z o e l e c t r i cm i c r o m o v i n gs t a g e s s t r u c t u r ei sd e s i g n e d ，t h ee x t e r n a l m i c r o m o v i n gs t a g en a n o s t e p p e rp i e z o e l e c t r i cm i c r o - m o v i n gs t a g ei sb a s e do nt h en e w ”p u s h p u l l ”p r i n c i p l e t h ed r i v i n gf o r c eo fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c si s 1 0 a d i n go nt h es t a g e sp l a t f o r md i r e c t l yt h r o u g ht h er e a s o n a b l ea r r a n g e m e n t so ft h ea c t u a t o r sp o s i t i o n ，t h u se n s u r i n gt h es y s t e m ss t i f f n e s sa n dg a i n i n gl a r g e rd r i v i n gf o r c ea n dr a n g e an e ws t ms a m p l e st r a n s f e r r e ds y s t e mi sp r o p o s e d ，a n dt h es t r u c t u r eo fi t si n n e r - m i c r o m o v i n gs t a g ei sd e s i g n e d d y n a m i c a ls t r u c t u r a lm o d e lo ft h ep i e z o e l e c t r i cm i c r o - m o v i n gs t a g ei sb u i l t ，a n dt h ei n t e n s i f y i n ga n dd r i v i n gi n s t i t u t i o n s s t r e s si sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s yi su s e dt oa n a l y z et h es t a t i ca n dm o d a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i e z o e l e c t r i cm i c r o m o v i n gs t a g ea n dg e ti t sd i s p l a c e m e n t 、s t r e s sd i s t r i b u t i o n 、d r i v i n ga b i l i t y 、n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s t h es t r u c t u r eo f e x t e r n a l - m i c r o m o v i n gs t a g em i c r o s t a g e si ss t i m u l a t e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ni ti sa n a l y z e d ，t h u s ，i t sn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e sa r eg o t t h r o u g ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d , t h eo p t i m a lc o n d i t i o n si m p a c t i n gt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h ea m p l i t u d ei sg a i n e d ，a m o n gw h i c ht h ew i d t ho ft h eg u i d er a i l si m p a c ti sg r e a t e r t h eo p t i m a ld e s i g np a r a m e t e r sa r e ：t h eo b j e c ts t a g e s10 m mh e i g h t ，5 m mt h i c k n e s s ，w i d t h5 5 m m ，t h eh e i g h tf r o mt h eb a s et ot h ec o n n e c t i n gb l o c k4 4 m m t h r o u g ht h es t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i s ，e x t e r n a l m i c r o m o v i n gs t a g en a n o s t e p p e rp i e z o e l e c t r i cm i c r o m o v i n gs t a g e s 4f a c t o r sa n dt h em u l t i p l er e g r e s s i o ne q u a t i o no ft h en a t u r a lf r e q u e n c ya r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i si so fg r e a tv a l u ef o rt h ed e s i g na n dc o n t r o lo fn a n o - s t e p p e rp i e z o e l e c t r i cm i c r o - m o v i n gs t a g e t h ed e s i g no ft h ed r i v i n gc o n t r o ls y s t e mo fp i e z o e l e c t r i cm i c r o m o v i n gs t a g ei sf i n i s h e d ，t h ep z tp o w e rf o ra n t i i n t e r f e r e n c ea i l dc o n v e n i e n tc o n t r o li sd e s i g n e d t h r o u g ht h ed e t a i l e dt e s ta l l dm e a s u r e m e r i to fa l lt h ep a r a m e t e r so ft h ee x t e r n a l m i c r o 。m o v i n gs t a g en a n o - s t e p p e rp i e z o e l e c 仃i cm i c r o m o v i n gs t a g e ，t h ed y n a m i cm o d e la n df i n i t ee l e m e n ta l l a l y s l sr e s u i t sa r ev e r i f i e d ，m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so fn a n o m e t e rm i c r o d i s p l a c e m e n t 、l a r g e rd r i v i n gf o r c ea n dr a n g e t h em i c r o - m o v i n gs t a g e sr e p r o d u c i b i l i t ye x p e 九m e n t a lr e s u l t sa r eb e t t e r ，锄do b t a i n i n gu n i f o r ms t e a d ym o v e m e n t t h em i c r o 。m o v i n gs t a g ei so f 删p r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nl o n g r a n g en a n o m e t e rm e a s u r e m e n tm a c h i n e slmm i c r 0 m o v i n gs t a g ee x p e r i m e n t a lc o n t r o lc i r c u i t sa l eb u i l t ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s l sr e s u i t sa r ev e r i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t so ft h ei n t e r n a l - m i c r o - m o v i n gs t a g em i c r 0 - m o v i n gs t a g e ，m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so fn a n o m i c r o - d i s p l a c e m e n ts y s t e m ，w i t hl a r g e rd r i v e sa n dr a n g e t h el o a d i n gf o r c eo ft h em i c r o - m o v i n gs t a g ei sa b o u t16 7 n s t e p p i n gf r e q u e n c yi s5 0 h z ，t h ev e l o c i t yi s2 6 4 t m s ，a n dt h er e s o l u t l o n1 sb o u t8 8 4 n mw h e nt h ed r i v i n gv o l t a g ei s1 0 v , a n di th a sg o o dl o n g 。r a n g es t a b i l i t yw i t h i nt h e14 m me n t i r er a n g e t h em i c r o - m o v i n gs t a g ei su s e di nt h es t ms y s t e m ，r e a l i z i n gt h eo b s e r v a t i o no fr e a l s p a c ei m a g e so fa t o m i c a d d i t i o n a lf a c t o r s i m p a c to nt l l em i c r 0 m o v i n gs t a g ei sa n a l y z e d ，a n dt h er e l e v a n ts o l u t i o n sa n dm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r dt o w a r d st h ei m p a c t k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i cm i c r o - m o v i n gs t a g e ，n a n o - t e c h n o l o g y ，i n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s t r u c t u r ed e s i g n ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：散翅激签字日期：知。7 年6 月9 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：姒役缎导师签名：签字日期：, 2 0 0 7 年月群日孑荔，签字吼1 年月笋日第一章绪论第一章绪论1 1 纳米科技的内涵及发展历史纳米科技是2 0 世纪7 0 , - 、一, 8 0 年代诞生并崛起的一门崭新的前沿技术，对于世界科技发展具有深远的意义与影响。“纳米”是英文“n a n o m e t e r ”的译名，源于希腊语“小型”的意思，是指十亿分之一米的微世单位。1 纳米( 1 n m ) 的长度相当于头发粗细的1 0 万分之一，大约是三、四个原子的宽度。纳米技术是指在纳米尺度( o 1 1 0 0 n m 之间) 上研究物质( 包括原子、分子的操纵) 的特性和互相作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。当微粒的尺寸进入纳米量级( 0 1 1 0 0n m ) 时，其本身和由它构成的纳米固体会产生一些特殊的效应，主要有小尺寸效应、表面效应、量子隧道效应，统称为纳米效应。纳米效应是纳米颗粒和纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳米固体表现出许多奇异的性质。这些性质呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象【l 】。纳米科学与技术是指纳米级( o 1 1 0 0r i m ) 尺度材料的新颖的物理、化学行为的科学，及其设计、制造、测量、控制和产品的技术。纳米科技的发展历史可以追溯到2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 9 年，著名的物理学家、诺贝尔物理奖获得者理查德费曼( r f e y n m a n ) 在洛杉矶理工学院的一次物理学年会上，作了题为在底层还有很大空间( t h e r e sp l e n t yo fr o o ma tab o s o m ，e n g & s c i 2 3 ：2 2 3 6 ，1 9 6 0 ) 的著名演讲。在演讲中，f e y n r r l a n 提出“依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”操纵单个原子和分子就意味看我们研究的对象处于纳米尺度。1 9 7 4 年，科学家t a n i g u c h i最早使用纳米技术( n a n o - t e c h n o l o g y ) 描述精细机械加工。但是，纳米科技真正受到广泛的关注还是在1 9 8 2 年，i b m 公司的g e r db i n n i n g 和h e i n r i c hr o h r e r 发明了具有原子分辨能力的扫描隧道显微镜( s t m ) ，实现了在纳米级水平上研究物质表面原子、分子的几何结构及其电子行为之后，纳米技术才初次曝光。2 0 世纪8 0 年代，日本物理学家上田良二在研究电子显微镜时，发现了纳米尺度的材料，开始系统地研究纳米材料的各种特异性能。1 9 8 4 年，德国萨尔大学的g l e i t e r 教授把6 n m 的金属粉末压制成纳米块，制出了世界上第一块纳米材料，开创纳米材料学之先河。1 9 8 6 年d r e x l e r 在创造的机器中首次明确提出分子纳米技术概念。进入2 0 世纪9 0 年代，随着用于微观表征和操纵技术的重要仪器的相继使用，如原子力显微镜( a f m ) 等，纳米技术发展迅猛，纳米尺度上的多学科交叉展第一章绪论现了巨大的生命力，迅速形成为一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。1 9 9 0 年4 月，美国i b m 公司阿尔梅德研究中心的研究者借助s t m 一次移动一个原子，用3 5 个氙原子在镍烈i ) 的表面上刻出“i b m ”3 个字母。1 9 9 0 年7 月，在美国巴尔的摩召开了第l 届国际纳米科技会议，这次会议的召开，标志着纳米科技的正式诞生。1 9 9 1 年日本n e c 公司物理学家饭岛澄男发现碳纳米管。1 9 9 6年，美国莱斯大学化学家r s m a l l e y 的b u c k y b a l l ( i 卫基球) 是纳米科技历史上迄今为止最著名的发现，并为他和他的同事赢得了该年度诺贝尔化学奖，他宣称“纳米技术是建设者最后的边疆”，i b m 公司同年宣布造出了超微型碳分子算盘，此时，纳米科技才被公认为最尖端的研究领域。1 9 9 7 年以巨磁电阻效应为原理的纳米结构器件在美国问世。这些都表明人类已经开始了在单个原子、分子层次上对物质进行探测和控制研究，并取得了一系列激动人心的重大成果，纳米科技可能会使材料和产品的生产方式以及可达到的性能范围和本质发生彻底变革。目前，纳米技术广泛应用于光学、医药、半导体、信息通讯等领域【2 击j 。在新旧世纪交替的时候，纳米技术的研究和开发正日益成为国际科学界和工程技术界关注的热点：它的迅猛发展将在本世纪促使几乎所有的工业领域产生一场革命性的变化，是继互联网、基因之后关注的又一大热点。从蒸汽机到晶体管，两次产业革命对人类的进步起到了巨大的推动作用：蒸汽机使人类进入工业时代，晶体管使人类进入信息时代，而纳米技术则将会成为下一个技术革命时代的核心1 7 j 。目前几乎所有发达国家的政府和企业都在对纳米科技的研发进行大量的投入，显示出空前的热情，力图抢占这一2 l 世纪科技战略的制高点i s 】。纳米技术的发展日新月异，在生命医学、生物技术、信息产业、能源、环境、国防科技以及工业制造等诸多领域的应用前景非常广阔，对2 1 世纪的科技发展具有重要的作用。所谓的纳米技术是指长度为1 0 0 n m 以下水平的材料、装置、驱动、测量技术。为了实现纳米材料的制造和纳米级测量，纳米级驱动装置的开发成为必要。模型及分析技术是纳米驱动装置开发的关键技术之一，也是纳米研究领域的重要方向之一。1 2 纳米级压电驱动技术随着电子技术和材料科学的发展，精密微动台的研究和开发已取得巨大的成果，表1 1 所示【弘17 】为根据不同工作原理研制的精密微动台，从中可以看出，精密微动台的应用领域非常广泛，并且正朝着多样化、个性化、智能化和集成化的方向发展【1 8 1 。其中由压电元件构成的压电精密微动台具有体积小、输出力大、分第一章绪论辨率高、反应速度快，不受电磁干扰等优点，已达到实用化阶段，是目前纳米驱动中较为理想的微位移器件。压电微动台具有以下优点：( 1 ) 压电微动台单位重量可获得较大的输出功率。已有的数据表明，在小型领域内( 1 0 0 9 以下) ，压电微动台的单位重量输出力或力矩比电磁微动台高出一个数量级，单位重量输出功率亦是电磁微动台的几倍，而且重量越小差距越明显。( 2 ) 响应速度快，无机械吻合间隙。理论上，从电场建立到产生逆压电变形，所需时间为1 0 。7 秒数量级；( 3 ) 压电微动台的磁干扰极小，同时，外界的磁场对其影响亦很小。因此在要求磁干扰影响较小的工作场合，压电微动台有重要盼应用价值；( 4 ) 不需传动机构，位移控制精度高，可达 0 o l i n n 。( 5 ) 当压电微动台依靠摩擦传递运动或动力时，一般启动灵活，停止迅速，定位不需要其它机构及能量，而且能够保持力矩恒定。表1 1 精密微动台的分类类别l类别2驱动精度( 分辨率)应用领域新型交流电动机应用广泛，如：精密机新型直流电动机械，机器人驱动，计算精密电机驱动类直接驱动电动机l i a n a机、打印机及周边设直线电动机备，步进电机等磁力微动台电磁驱动类0 1 l a m不受磁场影响的场合磁致伸缩微动台热致伸缩驱动热变形驱动类0 1 岬热测量仪器热膨胀驱动压电超声波微动台光学装置，压电泵，精压电片驱动类密压电阀，照相机调焦压电驱动类微驱动工作台0 0 0 5 - 0 o lp r n电机，细胞微操作机器惯性冲击式微动台人，精密驱动刀架，x射线漏光装置，硬盘磁步进驱动类头二级驱动装置等金属氢化物微动台特殊金属合金和形状记忆合金微动台金属氧化物热泵，轮胎超导微动台o 1 i m a恒压力控制器，高能量高分子材料类橡胶微动台人工肌肉等高分子凝胶微动台静电送纸机构，粒子搬静电驱动类静电微动台0 1 n运气体驱动流体驱动类l i m a高精度液力气动装置液体驱动光驱动类光微动台l o l u n l ( 微毫升)光驱动喷流，光驱动泵第币站论1 2 1 压电精密微动台的分类及特点，l j 电精南微动台是一种集胜电材料学、机构学、机械力学、摩擦学、电子、控制科学于一体的精密驱动单兀，是一个多学科交叉的综合研究领域，已成为许多国家学青研究的热点之一【”。2 。1 。压电犁精密微动台是利用压电材料的逆压电效应设讣的一种精密微动台。逆压电效应足压电材料的固有特性，即压电材料在电场作用下产生机械变形的特傩，虽然这种变形非常微小，然而稳定性很高并能够实现高频变化。研究人贝利用压电材料的该特性研究出了各种各样的动力转换机构以产生位移、运动、动力等。随着压电效应和逆压电效应的发现以及新型压电材料制造技术的掌握，堆电型精密微动台的研制受到了高度重视。广义的压电精密微动台的研究领域丰要包括州个方面：压电超声波微动台、压电精密定位微动t 作台、压电磺性微动台及步进压i 乜微动台口。”j 。( 1 ) 压电超声波微动台压l u 超声波微动台是利，利川压电体的超声波振动能作为驱动源的微动台，它将电能通过压电晶体转变为机械振动能，然后义借助摩擦力将交变的机械振动能转变为单方向的动能。与电磁型电动机相比，超声波微动台具有低速、大转矩，体积小、重量轻、结构简单、超静运行、形状可变异、不产生也不受磁干扰及传动噪声小等优点，因而广泛应用于高档摄像机、照相机的闩动调焦，产业用机器人的驱动系统，精密镗床、磨床进刀系统及光学系统( 如电子显微镜、激光干涉仪1 等”。缸压q 晦葡b # r z 前口h 幽1 i 仃波超卢城驰硎脎堙小意幽y o n g r a er o h 等人报道了一种新型行波马达。如图1 】示，这种马达将金属定于和两片压电陶瓷板尉定在一起以便减小外郇震动，通过确定相差电源在压电第一章绪论陶瓷卜产生两列超声波，并由此产生行波，再利用行波驱动负载质量块沿着行波相反方向运动。它的速度跟 达结构l 定了上的齿长度有关，齿的长度越长，速度越大，但反应频率降低。在超声范围内速度可以达到1 2 m s ，这时齿的长度是5 r a m ，负载是l o o g 。蹦( c ) 是上、侧、下二个方向对马达的俯视蹦。其中a 是c 奸状定予，b 是橡胶块。图( b ) 是马达的运动原理解释陶，当施加电压在雎电陶瓷薄片r 时，每一片压电陶瓷根据f l 已的极化模式形成自己的固定超声波，如果施加在陶瓷板上的电信号之间有9 0 度的帽位差，加 - 9 0 度的空间相位，这两列固定超声波会产牛行波效应，该行波阿驱动滑动块位移。超声波微动台的缺点是需要使用高频电源，由于利用摩擦传动，耐用寿命偏低| 4 ，传动效率低。( 2 ) 压电精密定位微动工作台精密定位微动i ：作台的基本 作原理足摹十压电陶瓷提供的动力以及柔性铰链的弹性变形和无间隙运动( 定位微动工作台也称为直接驱动式微动台) ，常采川此原理来构造压电多自由度微动t 作台。如图1 - 2 所示，将柔性铰链端固定，”一端将压电陶瓷的变形放人，通过选择合适的机械结构，可以得到多维的位移输出。这利- 形式具有尢机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高、加工简单等优点，尤其适合纳米定位技术领域。压电、电致伸缩微位移器结构紧凑、位移分辨力高、控制简单、没有发热问题，是较为理想的微位移器件。以柔性铰链为弹性导轨以压电、电致伸缩微位移器为微动台是实现纳米分辨力定位的有效方法。压电精密定位微动工作台由于结构简单，工作稳定，所以人们就微纳定位进给技术进行了广泛、细致、深入的研究，并在许多领域已经得到了广泛的应用【4 1 。6 ”。图1 3是具有放大功能的压电精密定位微动工作台的一种基本结构【。柔性纹链基肫甜圈i - 2 柔性绞链的结构同i - 3 压电精密定位微动工作台的结构原理和实物照片第章绪葩由于压电陶瓷本身的输m 位移较小，股在儿 做米以内，因此诅毛距离精密驱动场合需要配备其他大位移驱动装置，这给反馈测量仪器的测麓行程和测每精度提出了很高的要求，也使得测量干柠制变得困难。因此它只适用高精度、小位移场合【6 3 i 。( 3 ) 压电惯性微动台惯性式精密微动青由压电陶瓷或烈压电片作为驱动元件。雎电惯性驱动是根据动量定理，通过惯性块和压电陶瓷配合实现驱动，其t 作原理分两种，其一为惯性冲- h 式，其二为惯性摩擦式。陨性冲击式原理如同i 一4 所示。胜电元件快速伸长使a 向右移动一，j 、步，胜电，件缓慢缩短，此时a 在静摩擦力作用下保持不动，压电元件停止缩短的瞬问，b 的动量转为冲量使a 再移步，如此循环，形成位移驱动。图1 - 4 下方为驱动波形，般为锯齿波，左右两组不同的波形分别驱动微动台向右侧和左侧前进。惯性摩擦式原理如图1 - 5 所示。压电元件快速伸长，1 移动起始位置，j 臣瑚一， 舰，：3 压申元件缓慢缩癌， 瑚一4 移动停l e ，一母结甫，亡王靼，饧4 厶。盐a _ 大质量块，b - 小质皇块，c 一驱动元件圈1 - 4 懦件冲击式原理罔罔l 一5 匿性摩擦式原理移动体在惯性力的作用r 保持不动，压电儿件缓慢缩短，移动体在摩擦力的作用下向左运动，如此循环，形成位移驱动。其驱动波形与惯性冲击式类似。惯性式微动台结构简单，可高频工作( 1 k h z 以卜) ，适合高分辨率、大行程、推力小的工作环境。如果压电体缓慢伸长而急剧回缩的话，则整个机构将实现反方向运动【槔”j 。压电惯t e 微动台的优点足：结构简单，运动容易实现，并且町以实现高速运动和羞鼐章绪论多自由度运动”“。压电惯性微动台的缺点是：该微动台在动力学设计、加工精度和驱动控制信号等方面有较高的要求，其驱动力也很小。由于压电型髋4 陀微动台是个开放的系统，所以对其控制特别是对定位控制和保持比较困难【7 3 - 7 7 o 压电型惯性微动台在某些领域也得到了应用，目前主要集中在小载荷的驱动机构、多自由度驱动机构和微机器人手臂以及微操作手等方面f 7 。蛆】。( 4 ) 步进压电微动台步进压电微动台是压电精密微动台的一个再璺分支，也是本论文的重点研究内容。它采用的是一种仿生型的工作原理，利用“箝传一驱动一筘位”的方式运动，类似于某些生物体的步行运动。步进压电微动台克服了超声波微动台结构复杂、运动精度低、寿命短、传动效率低的缺点；电克服r 压电微动工作台工作行程小的缺点；并解决了压电惯性微动台驱动精度低、驱动力小、定位不稳定的缺点。圳此，步进压电微动台是一币l ；更有意义的新型微动台。夹旦1伸缩器熹旦2_ _ - _ 十_ _ _ )盎篡坷囱碰。】口口口墨莹方键蜢遇垦三曼剑。广_ 。n r r 曩紧方披l 上一、) 微尺牲运动原理c ) 电流娈效应尺螺型马达 ! e 瓣昭磊一l 嚼第( b ) 高精度菌机械挠度尺螺形马达e ) 带馓瓣齿尺螺形马选图1 6 微尺蠖仿生线性马达结构图1 6 ( a ) 为微尺蠖马达的运动原理：夹住左端( 在第一节加电压) ：使第二节伸长；夹住右端：松开第一节：使第二节缩短；松开第i 节。当完成一次循环后，轴就实现了向左的位移。控制马达运行的脉冲时序规律见右图，箭头距离对应一次循环，夹紧脉冲相对于驱动脉冲有一定的提前幂，这样就保证每次伸缩操作时都至少有一端是夹紧的，其中提前量的大小干每次脉冲的持续时问都由压电陶瓷的响应速度决定。每次循环位移的大小受中间压电元件形变大小的限制，可通过所加脉冲的电压高低来进行控制。它的轴向载荷能力取决f 夹紧机构与轴之间的摩擦系数，空载速度则取决于步进尺度和运行频率。墓一筒第一章绪论图1 - 6 ( b ) 为b z h a n g 等人提出的一种高精度、高机械挠度的压电陶瓷马达的结构和运行原理图，为减少部件个数和机械界面，用点、线接触代替面接触。对机械界面使用高的预载，防止压电层的剪切和拖动应力，使用有限元设计的弹性结构用做线性移动机械，使用较少的器件和机械接触界面获得了高分辨率、高机械挠度、结构简单等优点。使用高压缩负载能力的压电激励器从而避免了压电晶体层的剪切和拖动应力而获得高输出力。利用激光干涉测量仪测出这种马达的定位分辨率达蛰j 5 n m ，机械挠度为9 0 n l u n ，输出负载为2 0 0 n ，定位最高速度为6 m m s 。一图1 - 6 ( c ) 是利用电流变效应( e r ) 取代压电陶瓷制作夹具，这种马达是清华大学董蜀湘等人的研究成果。e r 效应是一些物质在电流的作用下，从液态转变为固态，在撤除电场之后，又回到液态的一种效应，通过电流变体固液态之间变化来分时夹紧滑槽，中间仍然使用压电晶体组，它的伸缩决定马达运动的方向和单步位移大小。使用e r 液体夹具的重要作用就是不会产生脉冲震动，从而减小震动对马达效率的影响。该马达消除了因夹具作用带来的震动和磨损，行程大，能耗低。定位速度为1 5 0 m s ，输出负载为2 4 5 n 。图1 6 ( d ) 是一种混合线性尺蠖马达。两个夹具是压电陶瓷堆，而中间的驱动部分是磁致伸缩的激励器，能提供大的输出力矩和大的位移。它的运行原理与前面几种马达都相似，都是源于尺蠖的行动模式。马达移动速度随着驱动电源频率和电流增加而增加，最大能够达至l j 9 2 5 1 x m s ，最大输出力矩与电源频率无关，可达8 8 n 。由于两个夹具分时夹住移动杆，在这个时间间隔内激励器作用驱动马达，因此控制夹具夹紧的时间以及激励器作用的时间对马达的性能影响极大。图1 6 ( e ) 是一种具有内锁机制的尺蠖型马达。其中微棘齿是用硅片进行湿法刻蚀( 11 0 ) 面而成，齿宽为0 5 m 。通过采用这种内锁机制，可以使尺蠖的载荷能力提高到几百牛，当工作频率在0 2 h z 到5 0 0 h z 之间变化时，尺蠖的移动速度则在2 1 t m s 至j j 5 m m s 之间变化，而定位精度则基本上由棘尺宽度决定。1 2 2 微动台应用范围微动台的主要应用范围包括：精密与超精密加工、测量、微机电系统( m e m s ) 、生命科学、半导体加工等领域。( 1 ) 精密与超精密加工、测量随着航空、航天及汽车工业对超精密、高可靠、低耗损和低污染的要求日益迫切，相应地，超精密零件将会越来越多的被使用。在超精密加工过程中，工件首先需要被夹具夹紧定位，这需要微动台参与工作达到精确定位：在进行加工时，刀具的进给量是非常小的，需要由微动台微位移器完成。在产品加工完毕8第一章绪论后，需要对其进行测量，测量时同样要用到微动台，所使用的超精密仪器中也要用到微位移微动台来进行测量操作。( 2 ) 微机电系统0 v m m s ) 加工技术微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微型化革命，以加工微米纳米结构和系统为目的的微米纳米技术( m i c r o n a n ot e c h n o l o g y ) 在此背景下应运而生。一方面人们利用物理化学方法将原子和分子组装起来，形成具有一定功能的微米纳米结构；另一方面人们利用精细加工手段加工出微米纳米级结构。前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘学科的产生，后者则导致了微机电系统( m e m s ) 的诞生。目前微机电系统中的微型机械装置加工技术主要有基于从半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的硅平面加工和体加工工艺，上世纪八十年代中期以后在l i g a 加工( 微型铸模电镀工艺) 、准l i g a 加工，超微细加工、微细电火花加工( e d m ) 、等离子束加工、电子束力加工、准分子激光加工、快速原型制造( r p m )以及键合技术等微细加工工艺方面取得相当大的进展。在所有这些微机械加工技术中，均需要用到微动台。( 3 ) 生命科学生物技术向着基因组分析方向发展，由于对生物体研究的越来越深入，研究者需要对生物体进行基因测序、对单个细胞进行操作。因而提出了对纳米定位器件、微型工具、纳米测量仪器的需求。例如，尖端尺寸为5 微米的微型镊子可以夹持一个红血球：但如果要完成细胞的切割操作、细胞移植等生物工程，就需要一系列的高精度的能对细胞进行操作的仪器。在一套完整的医用显微操作系统中，你可以只要通过拖动鼠标就可以移动你的吸液管和培养皿，对细胞进行操作，完成显微授精、细胞移植、e s 细胞注射等等任务，极大地提高工作效率。在这样一套现有的操作系统中，微定位技术是其核心技术，所使用的微动台要求有很高的分辨率和控制精度。( 4 ) 半导体加工技术微电子技术一直向着超大规模集成型方向发展，以最有代表性的计算机处理芯片( c p u ) 为例，早期的处理器都是使用0 5 微米工艺制造出来的，随着c p u 频率的增加，原有的工艺无法满足产品的要求，这样便出现了0 3 5 微米、o 2 5 微米工艺，现在市场上的计算机处理芯片多是采用o 1 8 微米和0 1 3 微米工艺制造的。英特尔公司近期推出的奔腾四至强处理器( p e n t i u m 4p r e s c o t t ) 首次采用了0 0 9微米工艺，也就是9 0 纳米工艺。在对半导体进行光刻加工时，需要用到微动台，而且对其的分辨率要求越来越高。9第一章绪论1 3 纳米级位移测量技术随着精密、超精密及微细加工技术的迅猛发展，零件尺寸的下界越来越小，加工精度要求越来越高。超精密加工和微细加工之间有许多相似之处，如它们都需要达到极微细的位移精度。而测量是对加工的支持，无论多么精密的加工，都必须用更为精密的测量技术作保障。因此在超精密加工中，作为超精加工的重要基础，位移量的精密测量、超精密测量将成为整个加工体系中一项至为关键的技术。目前，超精加工和超微加工在国际上已进入了纳米技术的新时代，对微小位移量及微小物体几何形状测量的要求已不再局限于微米、亚微米量级，而是达到了纳米、亚纳米量级。传统的机械法、光学法、电学法、气动法等，一般设计时只考虑微米级测量的需要，不加改进，已很难适应纳米级测量的需要。另一方面，现代精密加工要求位移测量技术能在比较宽的量程上有极高的分辨率和很高的精度，迅速研究开发全新的纳米级位移测量技术已成为众多尖端科技的迫切要求。纳米级位移测量技术至今尚没有明确的定义。经过研究，我们认为测量精度在0 1 1 0 0 r i m ( 1n m = 1 0 。9 m ) 之间的位移测量技术统称为纳米级位移测量技术。在2 0 世纪内，由于超精加工的迫切需求，人们已花了很大的力气在这方面做了大量的工作。另外也由于在测量中，位移测量技术的每一进展，都将推动其它测量技术的提高。故人们将研究的重点首先放在了这一分支。在纳米尺度内，位移测量技术与其传统的技术相比，其性质将会发生根本而彻底的变化。纳米级位移测量技术的研究与进展，将确保超精加工的精度极限得以实现。纵观当今国内外的研究状况和最新成果，纳米级位移测量技术可以分为三大类，一是显微镜技术，二是光学测量技术，三是电学测量技术。其中光学测量技术的发展最为引人注目。因为，实现纳米测量首先必须建立纳米精度尺度测量基准，常用的高精度标准尺度主要是光学尺度。1 4 1 显微镜测量技术( 1 ) 扫描隧道显微镜( s t m )1 9 8 1 年，国际商用机器公司( i b m ) 苏黎世实验室的b i n n i g 和r o h r e r 发明了扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ，s t m ) ，并首次得到了硅晶体表面清晰的原子图像，这一发明于1 9 8 6 年获诺贝尔物理学奖。扫描隧道显微镜( s t m ) 的原理是应用量子理论中的隧道效应【8 3 1 。即对于总1 0第一章绪论u = b n八八厂、；“vv，：0| = 00x ox图1 7 一定宽度的势垒能量e 低于势垒u o 的粒子，按照经典的概念，它们只能在x 0 的区域。对于如图1 7 所示的势垒，势能u = u o 的区域有一定的宽度。总能量e u o 原来在x 0 区域的粒子，经典力学认为它是不能越过u = u o 的高势垒的。但是量子力学指出，即使在这种情况下，粒子的波函数、i ，( x ) 在势垒外侧也有一定的值，表示原来在x 0 区域的粒子也有可能出现在势垒外侧。这种现象，形象地被称为隧道效应。s t m 的特点是不用光源也不用透镜，它的显微部件是枚细而尖的金属探针。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时( 通常小于ln m ) ，在外加电场( 2m v 2 的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极形成隧道电流。隧道电流与电极间的间隙成负指数关系，即隧道电流对针尖与表面间的距离极端敏感。例如，距离改变一个原子的直径( 如零点几个纳米) ，隧道电流会改变1 0 0 0 倍。由隧道电流随距离变化的特性，可测出探针与样品间的距离变化，从而判断位移大小的范围是否在预设的范围内【蚓。( 2 ) 原子力显微镜( a w v 0基于这种表面效应测量技术的仪器还有原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，a f m ) ，其原