1 引 言
21世纪,纳米测量具有广泛的需求,例如在微电子领域,1999年的典型线宽为180 nm,到2006年的典型线宽将为100 nm,2009年典型线宽将为70 nm。定位精度应为线宽的1/3~1/4。在生物领域,DNA的尺度在2~3 nm范围内。所以,微纳米定位技术在超精加工、微电子工程、生物工程、纳米技术领域中有着重要的应用[1~7]。
传统的微动工作台采用精密丝杆副及滚动(或滑动)导轨、精密螺旋楔块机构、涡轮-凹轮机构、齿轮-杠杆式机构等机械传动式微位移驱动器。由于机械摩擦、间隙、爬行等原因,其运动精度、定位精度很难达到亚微米甚至纳米量级。压电陶瓷则可以很容易实现高分辨率的运动,而且没有空回、粘滑等现象,成为微定位系统中广泛应用的微致动器[2,3]。而柔性铰链机构具有无机械摩擦、无间隙、不需要润滑、不产生热量和噪声等优点。采用压电陶瓷驱动的柔性铰链工作台,具有直接传动、结构紧凑、重量轻、位移分辨率高等优点,有着广阔的应用发展前景。近年来,国内外对柔性铰链微定位工作台进行了大量的研究[4~7]。清华大学李庆祥教授等人[4]早在20世纪80年代就在研究柔性铰链工作台方面取得了重大突破,其分辨率优于0·01μm。韩国的Ryu Jae W教授[7]等人研制出了开环控制分辨率达7~8 nm的微定位工作台,并构建了运动模型。
本文设计了一种具有较大传动比的超精密定位工作台,并从理论上对其刚性等机械性能进行了计算分析。采用具有亚纳米测量分辨率的双频激光干涉仪[8]对该定位工作台的运动定位特性进行了测量。在1 000 V电压驱动下,压电陶瓷通过定位工作台形成的测量分辨率可以达到0·2 nm。
2 设计原理与方案
2·1 总体方案
柔性铰链工作台及其控制系统的结构框图如图1所示。系陶瓷微位移器组成,采用双频激光干涉仪SJD5检测,由计算机和相位计共同组成闭环控制系统。通过计算机给出数字信号,经D/A转换并放大,产生0~1 000 V、步长为1 V的可变电压,驱动压电陶瓷伸缩,然后再由压电陶瓷带动柔性铰链工作台作微位移。
2·2 微致动器———压电陶瓷的选择
分别采用了中国科学院声学所研制的压电陶瓷PZT1和德国PI公司20世纪90年代初制造的压电陶瓷PZT2作为驱动件。这两种PZT的量程都在5μm左右,驱动电压均为1 000 V。所以平均电压每升高或降低1 V对应的分辨率在5 nm左右。另外还采用了日本产的压电陶瓷PZT3,其最大量程约为15μm,对应于驱动电压150 V;如果对定位精度要求相对较低的话,可使用PZT3。所以,为了进一步提高微位移分辨率,须采用具有一定减速比的柔性铰链工作台。
2·3 定位工作台
2·3·1 设计模型与方案
通常柔性铰链平动工作台可以等价于一个平行连杆机构,如图2右上部分所示。在这个基础上,增加了两级减速杠杆机构,如图2左下部分所示。由图2易知,整个系统总的减速比约为
图3为根据这一模型设计出来的实物主视图。可以看出,本系统的结构设计相当紧凑。
2·3·2 柔性铰链刚度计算
对微定位柔性铰链工作台设计的基本刚度要求是:
(1)柔性铰链内部的弯曲应力须小于材料的许可应力。这在微位移情况下通常是可以满足的。
(2)当压电陶瓷PZT产生最大伸缩变形时,对应的工作台弹性恢复力应小于PZT的最大驱动力。
(3)定位工作台的固有频率应尽量高,即其刚性应尽可能大,这样才有较好的抗外界干扰能力。
本文选用的柔性铰链的结构参数为:柔性铰链颈部厚度t=1·0 mm,半径R=2·0 mm。根据经验公式,可推算出柔性铰链的转角刚度[4]为
式中,E为材料弹性模量;b为工作台厚度。由于在本设计中总共用了8处柔性铰链,故可算出微定位工作台在运动方向的总的刚度为
式中,m为运动件的质量。将公式(1)~(4)代入有关数据,通过计算可知,本设计满足柔性铰链工作台的刚度要求。
3 实 验
本文采用基于横向塞曼双频激光器的外差干涉仪SJD5对工作台的性能进行了测试。SJD5的基本工作原理如图4所示,采用测相法处理外差信号。测量得到的相位差φ与被测位移量S之间的关系为
式中,λ为激光真空波长;φ的单位为度。在SJD5中,取相位计的测相分辨率为0·1°,λ=632·8 nm,na≈1。由式(5)可知,SJD5可以实现0·09 nm的位移测量分辨率。经中国国家计量院碘稳频F-P干涉仪比对结果显示,SJD5的测量精度达2 nm。
将SJD5的测量镜、参考镜分别置于柔性铰链工作台的固定件和运动件上,采用不同的压电陶瓷PZT1,PZT2和PZT3分别驱动工作台,得到三组测量曲线如图5~图7所示。
从PZT1和PZT2的测量结果可以看出,工作台位移量相对于驱动电压的变化关系呈较好的线性关系,1 000 V最大驱动电压对应的位移量不超过200 nm。所以每1 V的电压变化量基本上对应的位移分辨率在0·2 nm左右。相形下,PZT2的性能要优于PZT1。而PZT3的指标相差一个数量级,但可以用于相对较粗的定位需求。
通过实验研究认为,以上对纳米级分辨率定位工作台的设计,其性能可以满足使用要求。本工作台现已成功地应用于“纳米回零定位”的国家自然科学基金研究课题中。
4 结 论
本文研制了一种具有一定传动比的柔性铰链微定位工作台,具有直接传动、无摩擦、结构紧凑、重量轻、刚度好和分辨率高等优点。利用具有纳米级精度的双频激光干涉仪SJD5对在3种压电陶瓷驱动下的工作台特性进行了测量。结果表明,该工作台可以达到0·2 nm的测量分辨率和1 nm的定位精度。如果将这种微定位工作台与相对较大量程的粗动定位工作台配合,则可以同时满足大量程、高精度的定位要求,这将在微电子、精密制造、生物学等各种新兴领域中得到广泛的应用。
参考文献:
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[5] Yashiyuki T, Yasushi K, Fumiaki S·A surface motor-driven position-ing system [J]·Precision Engineering, 1994, 16(3):184—191·
[6] Jeong-Du Kim, Soo-Ryong Nam·A piezoelectrically driven micro-posi-tioNIng system for the ductile-mode grinding of brittle materials [J]·Materials Processing Technology, 1996, 61:309—319·
[7] Ryu Jae W, Lee Sung-Q, Gweon, Dae-Gab, etc·Inverse kinematicmodeling of a coupled flexure hinge mechanism [J]·Mechatronics,1999, 9(6):657—674·
[8] Chunyong Yin, Gaoliang Dai, Zhixia Chao·Determining the residualnonlinearity of a high-precision heterodyne interferometer [J]·OpticalEngineering, 1999,38(8):1361—1365·
基金项目:国家自然科学基金资助项目(59875051)
作者简介:林德教(1976-),男,福建省仙游县人,清华大学精密仪器与机械学系博士研究生,主要从事激光外差干涉精密计量的研究。
