A metrological scanning force microscope

In this paper, the design, construction, and characterization of a metrological scanning force microscope (SFM) for the purposes of dimensional measurement of surface features is discussed. Using this instrument, precision measurements of engineering surfaces can be performed in air with subnanometer resolution. In this design, scanning of the specimen in the x and y planes and surface profiling in z-axis are each monitored directly by capacitance sensors. The present SFM is capable of a resolutions of approximately 0.1 nm over 15 μm range in z-axis and about 1 nm over 50 pm scanning range in x− and y-axes with a repeatability of less than 1 nm. The linearity error was measured to be within the noise level. Specimens ranging from soft polymeric films to polished zerodur are used to illustrate its metrological capability.     

新型柔性铰链在微型机器人中的应用

柔性铰链以其特殊性能在微型机器人中得到广泛应用。本文介绍了新型柔性铰链在微型机器人中的应用,并在此基础上重点对新型柔性铰链的机械特性,以折叠技术为主的加工工艺,以及与压电技术相结合的驱动方法进行了探讨。     

扫描探针显微镜的控制技术综述

扫描探针显微镜(SPM)具有高精度成像、纳米操纵等功能,是纳米科技、生命科学、材料科学和微电子等科学研究的重要工具.随着科学技术的发展,科学家和工程师们对科研工具SPM的性能也提出越来越高的要求.SPM控制技术作为提高SPM性能的关键技术之一,已经得到广泛的关注和研究.本文首先介绍SPM系统以及两种常用的SPM,讨论SPM扫描器(即压电驱动器)的特性及其数学模型;然后详细总结了SPM水平方向和竖直方向的控制技术,并且对扫描探针显微镜多输入多输出(SPM MIMO)控制技术进行了探讨;最后总结了SPM控制技术研究现状及其所面临的问题.     

柔性铰链的应用

柔性铰链以其特殊的性能在精密机械、精密测量、微米技术和纳米技术等领域得到广泛应用。通过对柔性铰链在支撑结构、联接结构、调整机构和测量仪器中的应用，以及柔性铰链与压电致动结合实现超精密位移和定位的典型例子，对柔性铰链的应用作了较全面的介绍。     

压电谐波电机的研究

压电谐波电机是利用固定的压电驱动器及其位移放大机构作为谐波齿轮传动的波发生器，通过对压电元件的变形形状进行周期性控制，经过位移放大器进行位移放大，使柔轮产生周期性变形。只要使压电波发生器与柔轮接触的各离散点，按给定的柔轮变形规律进行变形，且驱动器的数目以及结构等参数满足连续啮合传动的要求，便可得到低转速的输出，它是一种基于谐波传动原理的新型步进电机。分析了压电波发生器结构以及控制系统的设计。它具有低速输出，功率密度大，结构简单，尺寸小，容易微型化，转动惯量小，定位精度高、效率高和噪音低等特点。     

压电谐波电机承载能力的研究

以保证柔轮与刚轮的正常啮合为条件,引入计算径向变形量系数,设计径向变形量系数以及允许位移损失系数,通过确定位移放大机构输出端允许位移损失量或柔轮的实际径向变形量,计算压电谐波电机承载能力。建立了压电谐波电机承载能力的设计准则,是包括压电驱动器驱动能力选择以及其他结构尺寸设计与校核的主要依据。其输出扭矩与压电驱动器与位移放大机构的刚度成正比,与柔轮变形力、轮齿啮合角以及摩擦系数成反比。克服了基于压电驱动器最大驱动能力建立压电谐波电机输出扭矩方法的缺陷。该模型也可用于采用超磁致伸缩等其他驱动器的谐波电机承载能力的计算。设计计算表明,相对于一般原动机,压电谐波电机能提供较大的输出扭矩。     

压电驱动器在精密机械中的应用

介绍了压电驱动器的工作原理，特点及其位移性能。分别描述了压电驱动器在超精密测量，超精密定位，超精密加工及微型机械等方面的应用，并给出了具体的应用实例。     

离散化正弦电压作用下的压电驱动器蠕变特性

研究了具有不同离散化台阶的正弦电压对压电陶瓷驱动器蠕变大小以及蠕变起始时间的影响,采用新的数学模型分析了低频下压电陶瓷驱动器的蠕变特性。首先,对0.025 Hz/0V~60 V正弦电压输入信号进行了5种倍数关系的离散化,分析了蠕变与输入电压的关系以及蠕变与输入台阶电压压差的关系。然后,按照提出的数学模型,在符合文中所述两种准则前提下,对蠕变起始时间进行了预测。实验结果表明,上升段蠕变变化范围最大出现在台阶电压等于47.7 V时,而下降段蠕变变化范围最大出现在台阶电压等于12.3 V;相比于20个台阶,320个台阶对应的上升段最大蠕变增长量下降了899.5%,而在下降段最大蠕变的这一比值增大到了936.9%。使用所提公式对蠕变起始时间进行预测,得到当台阶电压为12.3 V时,20、40、80、160、320个台阶的蠕变起始时间分别在0.959、0.911、0.813、0.664和0.016 ms以后。蠕变与输入电压以及蠕变与输入台阶电压差值都是迟滞关系,并且台阶蠕变随着台阶数量的增加而减小。不同离散化的电压信号改变了蠕变的起始时间,台阶电压数量越多,蠕变起始时间越早。