基于雙壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)原理的精密定位平臺(tái)研究

胡志平,谷 森,唐飛揚(yáng),孫浩楠,朱軍輝,王 勇,汝長海,2,

1．蘇州大學(xué) 機(jī)器人與微系統(tǒng)中心，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215021；3.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，納米材料逐漸興起。為了研究納米材料的機(jī)械和電學(xué)性能，納米操作系統(tǒng)的開發(fā)逐漸受到科研人員的重視，且成果顯著。文獻(xiàn)[1-4]介紹了如納米操作機(jī)、納米材料測試儀及原子力顯微鏡(AFM)等納米操作系統(tǒng)[5]。此類納米操作系統(tǒng)常需借助掃描電子顯微鏡(SEM)的視覺伺服反饋功能對納米材料進(jìn)行操作與表征[6]。基于SEM的納米操作環(huán)境要求納米操作系統(tǒng)的各組成單元具有無磁、體積小及真空兼容的特點(diǎn)。

盡管粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)符合無磁、真空兼容、亞納米級分辨率、毫米級行程的要求，且與壓電掃描器常作為理想的納米定位裝置廣泛應(yīng)用于納米操作系統(tǒng)，其仍存在局限性。如粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)的無振動(dòng)掃描范圍僅限于1.5 μm左右，壓電掃描器提供了更大的掃描范圍，但不能改變掃描區(qū)域的位置。為滿足高分辨率的定位要求，現(xiàn)有粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)均采用標(biāo)稱位移較小的單塊壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)模塊，常用壓電陶瓷標(biāo)稱位移為2 μm。壓電陶瓷以步進(jìn)模式驅(qū)動(dòng)粘滑定位平臺(tái)時(shí)，平臺(tái)的振動(dòng)幅度為幾十納米，通過平臺(tái)末端低硬度鎢探針的放大，振幅可達(dá)數(shù)微米[7]，接近甚至超過平臺(tái)的無振動(dòng)掃描范圍，從而直接影響納米操作系統(tǒng)的精度。當(dāng)粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)與壓電掃描器機(jī)械式組合后被應(yīng)用于AFM時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較大，難以安裝于SEM中。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了基于雙壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)原理的精密定位平臺(tái)。平臺(tái)驅(qū)動(dòng)器由兩塊壓電陶瓷組成，小壓電陶瓷先以步進(jìn)模式驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)快速移動(dòng)，大壓電陶瓷再以掃描模式驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，該定位平臺(tái)綜合了粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)與壓電掃描器的優(yōu)點(diǎn)。

1 定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)原理及驅(qū)動(dòng)器的選擇

本文基于雙壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)的定位平臺(tái)包括基座、壓電陶瓷、柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌4個(gè)基本單元，驅(qū)動(dòng)原理如圖1所示。大、小壓電陶瓷串聯(lián)連接并與柔性鉸鏈一端固定,陶瓷輸出位移通過柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳遞到末端執(zhí)行器導(dǎo)軌。

圖1 雙壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)原理圖

對大、小壓電陶瓷分別施加圖1(b)所示電壓信號(hào)時(shí)，定位平臺(tái)將產(chǎn)生如下運(yùn)動(dòng)：

1)AB段，對小壓電陶瓷施加緩慢上升的電壓，小壓電陶瓷緩慢伸長且輸出的位移通過柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳遞到導(dǎo)軌，導(dǎo)軌在受到的靜摩擦力作用下與柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)保持相對靜止。

2)BC段，小壓電陶瓷在受到階躍下降的電壓信號(hào)后快速縮回，柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)也隨之快速縮回。由于導(dǎo)軌與柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)之間的慣性力遠(yuǎn)大于摩擦力，導(dǎo)軌在滑動(dòng)摩擦力的作用下相對于基座保持靜止。

3) 整個(gè)ABC階段，導(dǎo)軌在水平運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)了一段位移，對小壓電陶瓷連續(xù)施加ABC階段的電壓信號(hào)，導(dǎo)軌在同一水平方向不斷快速移動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了定位平臺(tái)的高速、跨尺度運(yùn)動(dòng)。

4) 小壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器以步進(jìn)模式驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)一段位移后，切換到大壓電陶瓷的掃描模式，對大壓電陶瓷施加恒定電壓后，其緩慢伸長一段位移。

本文選用Thorlabs公司兩款標(biāo)稱位移不同的壓電陶瓷作為定位平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)模塊，其中零位移推力為160 N，諧振頻率為115 kHz,具體參數(shù)如表1所示。設(shè)計(jì)中選用雙列交叉滾子導(dǎo)軌，長為30 mm，行程為21 mm，其具有響應(yīng)快、精度高及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[8]。

表1 壓電陶瓷性能參數(shù)表

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為基于雙壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)原理的精密定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖，平臺(tái)整體尺寸為30 mm×17 mm×8 mm。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器包括標(biāo)稱位移不同的兩塊壓電陶瓷，大、小壓電陶瓷串聯(lián)并與柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)一端固定安裝于基座槽內(nèi)。調(diào)節(jié)預(yù)緊螺絲，給壓電陶瓷施加合適的預(yù)緊力，調(diào)節(jié)基座底部摩擦力調(diào)節(jié)螺絲可調(diào)整柔性鉸鏈在垂直方向的位置，進(jìn)而改變導(dǎo)軌與柔性鉸鏈間的正壓力。柔性鉸鏈上表面凸臺(tái)處粘有氧化鋯陶瓷摩擦片，摩擦片與中間導(dǎo)軌部分接觸，對壓電陶瓷輸入電壓信號(hào)時(shí)，其會(huì)驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，從而帶動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)。

圖2 定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

壓電陶瓷推薦的最佳預(yù)緊力為50 N，并已通過試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。結(jié)合大、小壓電陶瓷位移，阻滯力與柔性鉸鏈柔度的關(guān)系曲線(見圖3)可知，大、小壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)最佳柔度分別為0.11 μm/N和0.02 μm/N。由于大、小壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)同一個(gè)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，所以，最終選取柔性鉸鏈的柔度為0.11 μm/N，即剛度為9.09 N/μm，為柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

圖3 柔性鉸鏈柔度、壓電陶瓷位移和阻滯力關(guān)系曲線圖

2 柔性鉸鏈有限元分析

在精密定位裝置中柔性鉸鏈?zhǔn)且环N常用的結(jié)構(gòu)形式，其主要利用彈性材料微小變形和自回復(fù)特性獲得高位移分辨率，避免了傳動(dòng)過程中的空行程和機(jī)械摩擦[9]。由圖1可知，定位臺(tái)的步進(jìn)模式運(yùn)動(dòng)需要壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的周期性振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。為了獲得定位臺(tái)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，防止共振或自激等情況發(fā)生，設(shè)計(jì)時(shí)需要對定位臺(tái)鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。本文采用Ansys Workbench的模態(tài)分析模塊對柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，獲得前6階振動(dòng)頻率和對應(yīng)的模態(tài)振型，如圖4所示。仿真結(jié)果表明，定位平臺(tái)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的工作頻率應(yīng)遠(yuǎn)小于31 667 Hz。

圖4 柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)模態(tài)分析圖

3 定位平臺(tái)測試

基于雙壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)的定位平臺(tái)有小壓電陶瓷的步進(jìn)模式和大壓電陶瓷的掃描模式兩種驅(qū)動(dòng)模式。因此，定位平臺(tái)的性能可以分別在這兩種不同的驅(qū)動(dòng)模式下測得，實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)如圖5所示。其中激光干涉儀選用KEYENCE(基恩士)LK-GD500系列，最小分辨率為10 nm。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.1 大壓電陶瓷掃描模式測試

測定大壓電陶瓷以掃描模式驅(qū)動(dòng)時(shí)定位平臺(tái)的性能，實(shí)驗(yàn)采用HSPY直流穩(wěn)壓電源，輸入電壓最高可達(dá)200 V，最小電壓分辨率為0.1 V。采用KEYENCE的非接觸式激光干涉儀測量定位平臺(tái)在不同驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)的輸出位移。

為減小人為測試誤差及環(huán)境干擾，重復(fù)試驗(yàn)8次，并取其平均值作為該電壓下的標(biāo)稱位移，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖可知，定位平臺(tái)在大壓電陶瓷掃描模式驅(qū)動(dòng)下的最大掃描范圍平均值為4.9 μm。

圖6 定位平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電壓與輸出位移曲線

采用激光干涉儀測量定位平臺(tái)的輸出位移分辨率。對壓電陶瓷施加遞增電壓，定位平臺(tái)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出位移。當(dāng)電壓足夠小時(shí)，可分辨的輸出位移即為定位平臺(tái)的輸出位移分辨率。理論上定位臺(tái)的位移分辨率與壓電陶瓷的位移分辨率一致，但由于裝配、環(huán)境等因素，定位臺(tái)的位移分辨率比壓電陶瓷的位移分辨率低。施加大壓電陶瓷電壓，并以0.1 V的梯度遞增，定位臺(tái)的可分辨輸出位移為16 nm，所以，定位平臺(tái)具有16 nm的運(yùn)動(dòng)分辨率，如圖7所示。

圖7 定位平臺(tái)掃描模式分辨率

3.2 小壓電陶瓷步進(jìn)模式測試

測試定位平臺(tái)在小壓電陶瓷步進(jìn)模式驅(qū)動(dòng)時(shí)的性能。實(shí)驗(yàn)采用HSPY直流穩(wěn)壓電源作為驅(qū)動(dòng)電路的電源部分，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波電壓驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)，利用示波器監(jiān)測鋸齒波電壓信號(hào)的變化，采用KEYENCE非接觸式激光干涉儀采集定位平臺(tái)的輸出位移數(shù)據(jù)，最后通過KEYENCE自帶軟件LK-Navigator顯示并后續(xù)分析。

測量定位平臺(tái)被小壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)時(shí)的最大單步位移，對小壓電陶瓷施加1 Hz、90 V的鋸齒波電壓，測試結(jié)果如圖8所示，此時(shí)，定位平臺(tái)輸出的單步位移為0.9 μm。

圖8 定位平臺(tái)步進(jìn)模式時(shí)的單步總位移

為測定小壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)時(shí)定位平臺(tái)的最小步長，對小壓電陶瓷施加1 Hz鋸齒波電壓信號(hào)，依次減小輸入電壓信號(hào)的幅值，直至定位平臺(tái)可分辨的輸出位移最小。當(dāng)輸入電壓為10 V時(shí)，其正、反向10步的位移分別為700 nm和710 nm，如圖9所示。經(jīng)計(jì)算，正、反向最小步長分別為70 nm和71 nm，正、反向位移較對稱，且線性度較好。

圖9 定位平臺(tái)最小步長

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于雙壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)原理的精密定位平臺(tái)，其驅(qū)動(dòng)模塊由兩塊壓電陶瓷組成，分別實(shí)現(xiàn)定位平臺(tái)的步進(jìn)模式和掃描模式運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，掃描模式下，當(dāng)以90 V的恒定電壓驅(qū)動(dòng)大壓電陶瓷時(shí)，定位平臺(tái)的輸出位移為4.9 μm，定位平臺(tái)在掃描模式的位移分辨率為16 nm。步進(jìn)模式下，分別以1 Hz、90 V和1 Hz、10 V的鋸齒波電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)小壓電陶瓷，定位平臺(tái)的單步最大輸出位移為0.9 μm，正、反向的最小步長分別為70 nm和71 nm，對稱性和線性度較好。以15 kHz、90 V的鋸齒波電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)小壓電陶瓷，定位平臺(tái)在水平運(yùn)動(dòng)方向的最大步進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10 mm/s。大、小壓電陶瓷的輸出位移相差較大，說明小壓電陶瓷以步進(jìn)模式驅(qū)動(dòng)時(shí)，定位平臺(tái)的振動(dòng)不會(huì)影響大壓電陶瓷以掃描模式驅(qū)動(dòng)時(shí)定位平臺(tái)的精準(zhǔn)定位。解決了粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)存在的大掃描范圍及大行程的兼容性問題。