计量型扫描显微镜中大行程纳米定位系统研制

为克服现有计量型扫描探针显微镜(SPM)测量范围小、测量速度低的不足,提出了快速共焦显微镜和SPM结合的大量程、高速、可溯源扫描显微镜,实现了一种大行程纳米定位系统,用于显微镜的扫描定位。系统包括伺服电机驱动的两维机械位移台和压电陶瓷(PZT)驱动的三维柔性铰链微动台,具有双伺服环运动控制机制,由双频激光干涉测量系统进行反馈和溯源。为抑制系统噪声,提高定位精度,设计了数字切比雪夫滤波器,将噪声减小85%。在100 mm×100 mm×20μm行程内,系统具有优于5 nm的定位精度和2 nm的分辨率。     

一维大行程高分辨率纳米定位平台的设计与性能测试

设计了一种大行程、高分辨率的一维纳米定位平台,并进行了性能测试．该平台采用差动杠杆原理和柔性铰链,运用两个压电陶瓷叠堆致动器驱动．对柔性铰链平台建模,通过材料力学及结构振动微分方程等相关知识,对柔性铰链微动平台的刚度、输入反作用力、放大倍数等参数进行了分析,得到平台结构参数对平台性能的影响,并结合有限元分析软件,确定了微动工作台参数;最后建立了实验系统,对微驱动定位系统的输出行程、分辨率性能进行了测试．实验结果表明,所设计的微驱动定位系统的行程达到240μm,分辨率达到10nm,外形尺寸80mm×60mm×20mm．可用于大行程高分辨率微动定位．     

基于体硅工艺的集成式定位平台

针对纳米定位平台的构型和定位精度问题,采用体硅加工技术成功地研制出了一种基于单晶硅并带有位移检测功能的新型二自由度微型定位平台,定位平台采用侧向平动静电梳齿驱动.利用力电耦合和能量守恒原理分析了静电致动器的致动机理,对定位平台的主要失效模型、静态和动态特性进行详细建模分析,证明了静电梳齿力电耦合所导致的侧壁不稳定以及驱动器的最大稳定输出位移,给出了平台稳定工作条件下梳齿间隙、梳齿初始交错长度以及复合柔性支撑梁的弹性刚度比之间的关系.动态分析时考虑空气阻尼对平台的影响,给出了平台最大运行速度、位移及动态条件下的临界驱动电压并把分析结果应用于平台闭环控制.实验结果表明:驱动电压30 V时,平台稳定输出位移达10 μm,机械稳定时间仅为2.5 ms.     

大行程纳米二维工作台的动态优化设计

为了减小直线电机的电磁推力波动,保证绕线动子与永磁定子有足够的偏心量,对大行程纳米二维位移工作台进行了动态优化设计研究。基于振动理论建立了工作台与上层板系统的动力学模型,并以此模型分析了工作台动力响应与上层板厚的关系,给出了优化设计结果。对工作台进行了全行程定位实验,实验结果表明,工作台可以在0～100mm范围内,实现10nm定位分辨率的快速、高精度定位,满足纳米测量的要求。     

多目标拓扑优化设计在纳米定位平台中的应用

纳米定位平台在微型机械和精密仪器的设计和制造领域起着重要作用.该文将拓扑优化引入到压电陶瓷驱动的一维纳米定位平台设计中,并利用多目标设计方法对平台的运动和结构需求进行了优化,采用楔形预紧结构对压电陶瓷进行紧密预紧.经有限元仿真和实验验证,该实验系统输出位移达10 μm,定位精度5 nm,耦合误差小于1%.实验证明,该方法为纳米定位平台的设计和制造提供了一种新颖、灵活、有效的方法.     

具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台

基于宏微组合驱动方式,提出一种具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台设计方案来减小精密测量系统中由于工作台定位及角度误差引入的测量误差.首先,从原理上对设计方案进行了论证.该方案中宏动工作台和微动工作台共用位置反馈系统构成闭环控制,并基于压电陶瓷致动器及柔性铰链设计的六自由度微动工作台对宏动工作台进行直线定位误差及角度误差的综合补偿.然后,基于设计方案设计了宏动工作台及微动工作台的结构.最后,对安装调试后的宏微工作台系统进行了直线组合定位测试及角度误差修正测试.实验结果表明,该工作台系统的宏动行程达到了200 mm×200 mm;在闭环控制下,通过六自由度微动工作台的补偿作用可使各角度偏差由上百秒降至10″以内,由此工作台系统在全行程内的直线定位误差可由3μm降至25 nm以内.实验结果验证了提出的组合定位系统的有效性.     

纳米定位控制中消除PZT滞后及蠕变的方法

总结了近年来用ＰＺＴ致动器进行纳米线性定位控制的方法，对其特点和局限性进行了分析，并提出了一种可望在较大行程范围内获得亚纳米定位分辨率的方法。     

基于二维精密电容微位移传感器的二维纳米定位系统

设计并研制了一种结构小巧的纳米级精密定位平台.该系统采用正交簧片式设计,有效地抑制了正交运动的耦合,同时应用一个二维电容微位移传感器作为位移标准来对定位平台实行反馈控制,有效地克服了压电陶瓷执行机的非线性和迟滞效应.实验结果表明,该系统定位精度优于1nm,可在0.5μm×0.5μm范围内实行任意二维纳米循迹定位.给出了半径为2.5nm的圆及外接圆半径约为5nm的五角星形的定位轨迹图.该系统基本满足高精度引力实验精确定位的需求.     

纳米级定位精度弹性位移缩小机构的仿真与实验

研究了一种具有纳米级定位精度的弹性位移缩小机构．该机构采用柔性铰链杠杆结构，这种弹性位移缩小机构可以将传统螺母丝杠系统精度提高到纳米级，同时非线性、迟滞误差小．首先采用刚体模型建立了弹性位移缩小机构的理论模型；然后运用ANSYS有限元软件分析了弹性位移缩小机构的特性；最后使用双频激光干涉仪对弹性位移缩小机构的输出特性进行了测量．理论与实验结果表明，理论模型可以较好地反映输入与输出的关系，可作为设计弹性缩小机构缩小率的重要依据；有限元模型计算结果与实验结果接近；实验结果表明，该装置行程可达10μm，分辨率可达10nm．     

Nano-Positioning System Using Linear Ultrasonic Motor with “Shaking Beam”

In this paper the ultrasonic linear motor based on shaking beam and nano-positioning mechanical system were investigated. The advantages of the ultrasonic linear motor are high resolution, no magnetic noise generation due to the DC characteristics of the piezoelectric device, high servo rigidity, high holding torque and none additional brake system. It was confirmed that ultrasonic linear motor is suitable for nano-motion positioning with various speeds at close-loop control. The ultrasonic linear motor based on shaking beam was described and the nano-positioning systems using the ultrasonic linear motor were investigated.