新型纳米分辨率位移定位平移台的研制

为克服已有压电驱动器存在的结构及控制系统复杂、定位行程小等缺陷,利用压电陶瓷的逆压电效应设计并制作了一种新型的压电纳米步进驱动器,建立光栅测试系统对这种压电驱动器的动态性能进行了测试.将压电纳米步进驱动器与电磁伺服马达耦合,设计新颖驱动结构,利用微机通过步进运动控制卡统一控制,实现大范围一维纳米分辨率位移定位.系统样机解决了所研制压电纳米步进驱动器双向运动、实用定位等问题.位移定位分辨率为50 nm,定位行程为100mm,纳米分辨率定位最大速度为0.6 mm/s.     

光栅计量型的垂直扫描位移工作台及其误差分析

为满足精密测量中垂直扫描白光干涉以及千分表、电感位移传感器、表面粗糙度触针位移传感器标定对垂直方向的高精度定位和高分辨率运动要求,研制出一种纳米级垂直扫描位移工作台.该工作台采用柔性铰链结构,压电陶瓷驱动位移,满足纳米级微位移驱动要求,同时利用两级杠杆放大结构,扩大了位移行程.针对压电陶瓷驱动的位移随电压变化的非线性特点,利用衍射光栅对压电驱动进行实时监控,对这种非线性误差进行实时补偿.衍射光栅固定在工作台的微定位板上,工作台的移动量可由衍射光栅二次衍射干涉后产生的条纹变化得到.根据衍射光栅的计量特点,分析垂直扫描位移工作台测量误差的主要影响因素.通过试验验证,优化系统误差,进一步提高了垂直扫描位移工作台的定位精度.     

一种高分辨力、大行程微驱动压电马达

样机采用叠片式压电驱动器作为驱动源,利用一对夹爪与丝杠之间的惯性滑移效应实现纳米级微位移驱动,而用丝杠副实现自锁。微位移测量采用高精度电感式测微仪与光学干涉仪。样机平均位移分辨力为5～15nm,驱动力60N,行程15mm。分析表明,对性能的主要影响因素是驱动脉冲参数及丝杠的爬行现象,这为LSPM的进一步优化提供了依据。     

小型微纳米图形电子束曝光制作系统(英文)

为了满足科学实验过程中对制作半导体器件和微纳米结构的需要,同时避免受到昂贵的工业级电子束曝光(electron beam lithography,EBL)机的条件制约,构建了一种基于普通扫描电子显微镜(scanning electron microsco-py,SEM)的桌面级小型电子束曝光系统.建立了以浮点DSP为控制核心的高速图形发生器硬件系统.利用线性计算方法实现了电子束曝光场的增益、旋转和位移的校正算法.在本曝光系统中应用了新型压电陶瓷电机驱动的精密位移台来实现纳米级定位.利用此位移台所具有的纳米定位能力,采用标记追逐法实现了电子束曝光场尺寸和形状的校准.电子束曝光实验结果表明,场拼接及套刻精度误差小于100 nm.为了测试曝光分辨率,在PMMA抗蚀剂上完成了宽度为30 nm的密集线条曝光实验.利用此系统,在负胶SU8和双层PMMA胶表面进行了曝光实验;并通过电子束拼接和套刻工艺实现了氮化物相变存储器微电极的电子束曝光工艺.     

基于电流控制的压电陶瓷驱动器

为了解决电压控制型压电陶瓷驱动器驱动压电陶瓷时存在的迟滞、蠕变和带宽窄的问题,设计了基于电流控制的压电陶瓷驱动器,利用压电陶瓷致动器位移与其所带电荷量间的线性关系,该驱动器通过控制压电陶瓷的充电电流和时间控制其位移量．在此基础上,提出了以分辨率换取稳定性的动态保持控制方法,采用该电流型驱动器,实现了开环下对压电陶瓷致动器的稳定、快速、高精度定位．实验结果表明,该驱动器驱动行程为10μm的压电陶瓷时,满行程带宽大于1．5kHz,重复定位精度小于4nm（0．4％）．     

大行程高精度宏/微双重驱动机器人系统的研究

研究了具有宏／微双重驱动定位工作台的控制技术。该工作台采用直线电机进行大行程位移驱动,来保证较大的工作行程和较快的响应速度,采用压电陶瓷微位移器完成精密位移驱动,利用光栅尺实现闭环位移反馈,可以实现lOOmm的工作行程,10nm的重复定位精度。     

可调姿态一维运动平台

使用"大范围纳米测量机"进行扫描测量时,要求被测样品的空间姿态相对测量坐标系稳定,因此需要样品姿态小范围内动态可调。本文提供一种姿态可调的一维运动平台解决方案:利用四个压电陶瓷电机驱动空间上均布的四个丝杠,通过柔性连接器共同推动运动平台。压电陶瓷电机的协调运动可以实现运动平台的大范围升降运动及小范围姿态调整,其自保持能力可以减小驱动部件发热对纳米级测量的影响;四点过定位支撑利于简化控制模型,还可提高工作台的稳定性。     

新型程控压电陶瓷驱动电源

压电陶瓷驱动电源是压电陶瓷微位移和精密定位系统中的核心控制装置,本文设计了新型双路程控压电陶瓷驱动电源,提出了锁相环调节时钟基准、计数起始时刻控制、E2PROM在线编程和幅度调节等技术,实现了驱动信号的调频、调幅、调相,并且可输出周期或单次任意波形.该电源突破了传统驱动电源固定驱动波形及相位的限制,可根据压电陶瓷的动作要求在线设计驱动波形和参数,预置驱动次数,使压电陶瓷产生各种需要的动作,拓展了压电陶瓷的应用领域.     

基于双反馈模式的大范围自感应AFM测量系统

为了提高原子力显微镜（AFM）的测量范围,设计了一种基于双反馈测量模式的大范围自感应原子力显微镜系统,测量系统中有两条反馈回路:一条反馈回路由压电陶瓷与AFM测头组成,动态响应较快的压电陶瓷位移台的运动量可以表征被测样品表面的高频信息;另一条反馈回路由压电陶瓷位移台和纳米测量机（NMM）的反馈控制器组成,利用压电陶瓷位移台的位移信号控制NMM运动,NMM的mm级z向测量范围使得被测样品较大变化范围的低频轮廓信息很容易地被表征出来。使用本系统对平面样品和一维栅格进行了测量实验,实验结果表明采用双反馈的测量模式的AFM测量系统能够有效地表征被测样品的低频轮廓信息和表面高频信息,测量范围能够达到mm级,纵向分辨率达到nm级,具有良好测量重复性。     

大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验

针对大位移压电陶瓷驱动器,研究了压电陶瓷双晶片的驱动效能。基于压电陶瓷材料的逆压电效应,应用压电陶瓷双晶片在机械自由、电学短路状态下,一片加正向电压缩短另一片加反向电压伸长共同作用产生弯曲变形,通过组合设计将压电陶瓷双晶片的弯曲变形位移叠加起来,实现了压电陶瓷驱动器的大位移输出。在相同电压的条件下,此压电陶瓷驱动器的输出位移量比叠层驱动器有较大的增加,达200μm,结构尺寸也大大减小。该驱动器不需要位移放大机构,可直接应用于有大位移要求的机构驱动。