有纳米级分辨率的超精密定位工作台

种具有较大传动比的定位工作台， 介绍了其系统结构和工作原理， 并对刚度性能作了分析。利用双频激光干涉仪对压电 陶瓷驱动下的工作台特性进行了测量。结果表明， 该工作台具有纳米级的分辨率和定位精度。 关 键 词：柔性铰链；定位工作台；纳米级分辨率；压电陶瓷；双频激光干涉仪 文献标识码：+ 中图分类号：(.%%! 5 9
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 。清华大学李庆祥教授等人 早在 !$ 世纪 :$ 年代就在
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引
言
纳米测量具有广泛的需求， 例如在微电子领域， !% 世纪， 年 的 典 型 线 宽 为 ， 到 年 的典型线宽将为 %YYY %:$ HK !$$# %$$ HK， !$$Y 年典型线宽将为 "$ HK。定位精度应为线宽的 % Z [ \ % Z ;。在生物领域， O/+ 的尺度在 ! \ [ HK 范围内。所以， 微纳米定位技术在超精加工、 微电子工程、 生物工程、 纳米技术
第 !" 卷 第 # 期 !$$%年%%月
光 学 技 术
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万方数据
第7期 !"# 定位工作台
林德教， 等： 具有纳米级分辨率的超精密定位工作台 采用测相法处理外差信号。测量得到的相位差 " 与被测位移 量 / 之间的关系为 234 / " # $" 5!’ 0 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 ! 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 ! 左下部分所示。由图 ! 易知， 整个系统总的减速比约 为 ! " & #$ % ・ # ’ （$）
［!， [］ 为微定位系统中广泛应用的微致动器 。而柔性铰链机构具Leabharlann 图%柔性铰链工作台系统
统主体由柔性铰链工作台和压电陶瓷微位移器组成， 采用双频 激光干涉仪 <^O9 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 O Z + 转换并放大， 产生 $ \ 步长为 % 2 的可变电压， 驱动压电陶瓷伸缩， 然后再由 % $$$ 2、 压电陶瓷带动柔性铰链工作台作微位移。 — —压电陶瓷的选择 9 : 9 微致动器— 分别采用了中国科学院声学所研制的压电陶瓷 ’X(% 和德 国 ’) 公司 !$ 世纪 Y$ 年代初制造的压电陶瓷 ’X(! 作为驱动 驱动电压均为 件。这 两 种 ’X( 的 量 程 都 在 9 ! K 左 右， % $$$ 2。所以 平 均 电 压 每 升 高 或 降 低 % 2 对 应 的 分 辨 率 在 其最大量 9 HK 左右。另外还采用了日本产的压电陶瓷 ’X([， 程约为 %9 ! 对应于驱动电压 %9$ 2； 如果对定位精度要求相 K， 对较低的话， 可使用 ’X([。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。
［% \ "］ 领域中有着重要的应用 。
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设计原理与方案
9 : 8 总体方案 柔性铰链工作台及其控制系统的结构框图如图 % 所示。系
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8凹轮机构、 齿轮8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
图#
设计的微定位工作台主视图 （厚度 % & $’ ((）
上， 采用不同的压电陶瓷 )*+$， )*+! 和 )*+# 分别 驱动 工 作 台， 得到三组测 量曲线如图 - . 图 5 所示。 从 )*+$ 和 )*+! 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， $ ’’’ = 最大驱动电 压对 应 的 位 移 量 不 超 过 !’’ 8(。所以每 $ = 的电 压变化量基本上对应的位 移分辨率在 ’ " ! 8( 左右。 相形之下， )*+! 的性能要 优于 )*+$。而 )*+# 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
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文章编号：%$$!8%9:! （!$$%） $#8$99#8$!
具有纳米级分辨率的超精密定位工作台 "
林德教，吴健，殷纯永
摘 （清华大学 精密仪器与机械学系精密测量技术与仪器国家重点实验室，北京 %$$$:;） 要：柔性铰链精密定位工作台具有直接传动、 无摩擦、 结构紧凑、 重量轻、 刚度好及分辨率高等优点。设计了一
图 5 定位工作台位移量与 驱动电压关系曲线 （采用 日本生产的 )*+#） 图 7 定位工作台位移量与 驱动电压关系曲线 （采用 德国 )< 公司生产的 )*+!）
曲应力须小于材料的许可应力。这在微位移情况下通常是可以
*! " ’ " ’-# +%
（!）
式中，+ 为材料弹性模量； % 为工作台厚度。由于在本设计中总 共用了 % 处柔性铰链， 故可算出微定位工作台在运动方向的总 的刚度为 % *! ,! 式中，, 为平行连杆中臂的长度。工作台的固有频率为 * " （#）
［:］ 米测量分辨率的双频激光干涉仪 对该定位工作台的运动定
位特性进行了测量。在 % $$$ 2 电压驱动下， 压电陶瓷通过定
" 收稿日期：!$$%8$%8$!；收到修改稿日期：!$$%8$!8%#
基金项目：国家自然科学基金资助项目 （9Y:"9$9%） 作者简介：林德教 （%Y"#8） ， 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。
$ * （,） - " ! ! . 式中，. 为运动件的质量。将公式 （ $） （ ,） 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。
!
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。
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实
验
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结
论