微位移技术

对于外加控制电压，压电陶瓷相当于一个微法级 平行板电容器；每层之间粘结剂的弹性变形都对 输入输出有相当的影响所以并不是完全的平方关 系。 压电伸缩型陶瓷具有较大迟滞和蠕变、响应快和 温度对性能影响小等特点，而电致伸缩型陶瓷具 有较小的迟滞和蠕变的特点，但在响应时间及温 度对性能的影响等方面较电致伸缩型陶瓷差。
一、微位移技术介绍
微位移技术是超精密加工及检测中的一项关键 技术。
微位移技术包括：微位移机构、检测装置和控
制系统。
微位移机构 检测装置
控制系统
微位移机构：微位移机构是指行程小(一般小于
毫米级)、灵敏度和精度高(亚微米、纳微米级) 的机构。是微位移系统的核心。
检测装置：用传感器按一定规律将微位移机构
二、微位移机构
组成：微位移驱动器、微动工作台 作用：既可以作为微进给和微调节部件，也可作为工
艺系统动、静态误差补偿的关键部件。 分类： （1）直线电机式微位移机构 （2）机械传动式微位移机构 （3）扭转摩擦传动式微位移机构 （4）弹性变形传动式微位移机构 （5）压电元件与电致伸缩式微位移机构 （6）热变形式微位移机构 （7）磁致伸缩式微位移机构
微位移技术国内外的现状
随着纳米技术的地位在不断的攀升，发达国家都在纳米 技术的研究上投入了大量的资金和人力。美国国家关键技术 委员会将纳米技术列为政府重点支持的22项关键技术之一； 日本把纳米技术作为ERATO计划中6项优先高技术探索项目 之一；英国国家纳米技术(NION)计划已开始实行；欧洲的其 它国家也不示弱，把纳米技术列入了“尤里卡计划”。 美国LODTM机床上用的快速刀具伺服机构在±1. 27μm范 围内分辨率可达2. 5nm,频响可达100Hz;日本日立制作所采用 柔性支承导轨、压电驱动方式的微位移机构的位移精度为 ±0. 05μm,行程为±8μm,该机构均成功应用于电子束曝光机。 哈尔滨工业大学采用柔性支承导轨、步进电机驱动方式的微 位移机构的位移精度为±0. 05μm,分辨力为0. 01μm,行程为 20μm;国防科技大学采用柔性支承导轨形式、电致伸缩驱动 方式的微位移机构的分辨力为0. 1μm,行程为20μm。
特点：无磨损，免维修；高的零点稳定性和精度； 几乎与温度无关；传感器对被测体没有作用力； 与被测体导电性能，以及导电性能变化无关。分 辨率极高，可达0.Inm，但行程较小，输出特性 为非线性，且其价格较昂贵。 （3）激光干涉仪： 原理：光的干涉原理 特点：测量精度高、分辨率高，可测出0.1nm以 下的长度变化。但机构庞大，价格昂贵。
（1）电感式位移传感器： 原理：利用线圈自感或互感的变化来实现位移测 量。但是存在线圈阻挠。 优点：结构简单；输出功率大；输出阻抗小；抗 干扰能力强；对工作环境要求不高；分辨率可达 0.01um；稳定性好。
（2）电容式位移传感器：
原理：当恒定的交流电加在传感器电容上，传感 器产生的交流电压与电容电极之间的距离成正比。
2、滚动导轨：两导轨面之间放入滚珠、滚柱、滚针 等滚动体，使导轨运动处于滚动状态。 优点：滚动摩擦阻力小，使工作台移动灵敏。 缺点：导轨是点或线接触，故抗振性差，接触应力 大，结构比滑动导轨复杂，制造困难，成本高。其 定位精度和分辨率虽较滑动导轨工作台有较大提高， 但仍难于稳定地达到亚微米 级以上的高精度指标。因此 也不适宜用于制作微动平台。
1、直线电动式微位移机构： 优点：任意的调节行程、无限的位移分辨率、响 应快、达到瞬时高加速度和减速度。 缺点：成本高、发热较严重及控制系统复杂。 2、机械传动式微位移机构： 分类：螺旋机构、杠杆机构、楔块、凸轮机构、 弹性机构以及它们的组合机构。 优点：出现最早、相对成熟，具有较好的分辨率； 缺点：机械间隙、摩擦磨损以及爬行等，从而导 致精度和灵敏度都难以达到高精度，只适应于中 等精度。

压电陶瓷：锆钛酸钡（PZT），由钛酸铅和镐酸 铅组成。 特性:压电陶瓷在温度高于或等于相变温度时， 不存在压电效应，而低于相变温度时才存在压电 效应。 （1）微位移器件对压电陶瓷的要求： 1）压电灵敏度高，即单位电压变形大； 2）行程大，电压变形曲线线性好； 3）体积小，稳定性好，不老化，重复性好。 （2）压电陶瓷位移器件的行程：
的位移输出转换成电量输出。
控制系统：对动态性能掌控；补偿和修正材质
和机理的缺陷；反馈调节驱动器的非线性等不 良特性等等。它的开发与研究对微位移技术的 应用和推广至关重要。
应用领域：电子技术、宇航、生物、医学工程 等。
意义：国家科技水平的重要标志。

精工作台
粗工作台
4）微执行机构：主要用于生物工程、医疗、微 型机器人等，用于夹持小物体。
优点：结构紧凑、体积小、分辨力高、控制简单 等优点，同时它没有发热问题，故对精密工作台 无因热量而引起的误差。 电致伸缩效应：电介质在电场的作用下，由于感 应极化作用而引起应变，应变与电场方向无关， 应变的大小与电场的平方成正比，这个现象称为 电致伸缩效应。
压电效应：压电效应是指电介质在机械应力作用 下产生电极化，电极化的大小与应力成正比，电 极化的方向随应力的方向而改变。
四、控制系统
（1）PID控制
其控制规律：
三个环节：比例环节、积分环节、微分环节 1）比例环节，即时成比例地反映控制系统的偏差信 号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用， 以减少偏差 2）积分环节，主要用于消除静差，提高系统的无差 度。 3）微分环节，能反映偏差信号的变化趋势，并能在 偏差信号值变的太大之前，在系统中引入一个有效 的早期修正信号，从而加快系统的运作速度，减小 调节时间。
1、 微位移技术研究背景及其现状 2、微位移技术介绍 3、微位移机构 4、检测装置 5、控制系统
微位移技术的研究背景
作为精密机械与精密仪器的关键技术之一—微位移技术， 近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅 速的发展起来。尤其随着微电子技术向大规模集成电路和超 大规模集成电路方向发展和微机械的研究,微位移机构得到迅 猛发展,并得到广泛应用。 纳米技术被认为是21世纪的科技前沿，它的最终目标是直 接以分子、原子在纳米尺度上制造具有特定功能的产品，实 现生产方式的飞跃。纳米定位技术作为关键技术之一将左右 着各学科纳米技术的发展。扫描隧道显微镜(简称STM)和原 子力显微镜(简称AFM)在其中扮演了极其重要的作用，它们 的核心也就是超精密的微位移系统。另外随着科技的发展将 会有更多领域需要精密的微位移技术，例如：光线对接、微 细加工、微型机器人装配等。
3、扭转摩擦传动式微位移机构： 特点：运动平稳、无间隙及无爬行，可得到纳米 级运动分辨率和定位精度。 4、磁致伸缩式微位移机构：
优点：结构紧凑、重复精度高、无间隙、刚性好、 传动惯量小、工作稳定性好
缺点：磁场强度和磁致伸缩量之间不严格的线性 关系使得在磁场作用下伴有发热，因此微动精度 不高。
5、压电元件和电致伸缩式微位移
3、气浮导轨：是在两导轨面间有气腔，当压力空气 引入气腔后，工作台浮起，在两导轨面之间形成一 层极薄的气膜，且气膜厚度基本上保持恒定不变。 优点：运动精度高、无发热现象、摩擦与振动小且 无爬行。 缺点：承载能力低、刚度低、需要有一套高质量的 气源、气膜厚度小，安装不正确会产生变形影响精 度。 总之，气浮导轨能达到亚微米甚 至纳米级的精度，但其结构一般 比较庞大，使用费用较高。
导轨的形式及特点
导轨作为微位移机构重要组成部分，主要是用来 保证各运动部件的相对位置和相对运动精度以及承 受载荷(包括工作台、滑板部件的重量)的。对导轨 的基本要求是:导向精度高，精度保持性好，运动灵 活而平稳，结构简单，工艺性好，等等。 1、滑动导轨：是由支承件和运动件直接接触的导轨。 优点：结构简单、制造容易、接触刚度大。 缺点：摩擦阻力大、磨损快;动、静摩擦系数差别大， 低速度时，易产生爬行。这种导轨很难达到亚微米 级以上的精度，不适宜用于微动平台。

如何提高提高微位移行程： 1）增加压电陶瓷的长度l和提高施加的电压U， 这是实际中常用的方法，但增加长度会使结构增 大，提高电压会造成使用不便。 2）减小压电陶瓷的厚度b，可使变形量增加，但 厚度减小会使强度下降，如果是承受较大的轴向 压力，可能会使器件破坏，故应兼顾机械强 度。 3）把多层压电陶瓷薄片胶结为整体，在其中埋 入电极形成机械上串联，电路上并联的叠层结构。
谢谢Leabharlann 4、平行弹性导轨：工作台由平行簧片支承，当受到 驱动力F的作用时，簧片发生变形，使工作台在水平 方向上产生微小位移。由于弹性导轨仅利用受力后 的弹性变形来实现微位移，故仅存在弹性材料内部 分子之间的内摩擦，而且没有间隙，因此可以达到 极高的分辨率，但其行程较小。
三、检测装置
检测系统的精度占仪器总精度的1/3~1/10 常用检测仪器：电感式位移传感器、电容式位移 传感器、激光干涉仪、光纤位移传感器等。