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精密仪器设计DesignofPrecisionInstrument五、微位移技术微位移技术一：概述二：压电、电致伸缩器件三：电磁控制的微动工作台四：柔性铰接五：精密工作台的设计及特性分析六：其他类型微位移工作台微位移技术发展很快。用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于1/10光波波长的表面，即几何形状误差小于0.05m。计算机外围设备中大容量磁鼓和磁盘的制造，为保证磁头与磁盘在工作过程中维持1m内的浮动气隙，就必须严格控制磁盘或磁鼓在高速回转下的跳动。特别是到20世纪70年代后期，微电子技术向大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化。256K动态RAM线宽已缩小到1.25m左右。目前已小于0.1m，对与之相应的工艺设备（如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束、和X射线曝光机及其检测设备等）提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的1/3～1/5,即亚微米甚至纳米级的精度。概述概述微位移机构的分类及应用微位移机构系统的基本构造：微位移机构的分类及应用微位移机构（或称微动工作台）由微位器和导轨两部分组成，根据导轨形式和驱动形式分成五类：①柔性支撑、压电或电致伸缩微位器驱动；②滚动导轨，压电陶瓷或电致伸缩微位移器驱动；③滑动导轨，机械式驱动；④平行弹性导轨，机械式或电磁、压电、电致伸缩微位移器驱动；⑤气浮导轨，伺服电机或直线电机驱动。微位移器根据形成微位移的机理可分成两大类：机械式和机电式.微位移机构的分类及应用微位移系统的应用：微位移系统在精密仪器中主要用于提高整机的精度，根据目前的应用范围，大致可分为四个方面:1.精度补偿精密工作台是高精度精密仪器的核心，当前精密工作台的运动速度，一般在20mm/s～50mm/s，最高的可达)100mm/s以上，而精度则要求达到1μm以下，由于高速度带来的惯性很大，一般运动精度比较低，为解决高速度和高精度的矛盾，通常采用粗精相结合的两个工作台来实现。微位移机构的分类及应用如图5-3(a)所示粗工作台完成高速度大行程而高精度由微动工作台来实现，通过微动工作台对粗动工作台运动中带来的误差进行精度补偿，以达到预定的精度。微位移机构的分类及应用2.微进给主要用于精密机械加工中的微进给机构以及精密仪器中的对准微动机构，如图5-3(b)所示金刚石车刀车削镜而磁盘，车刀的进给量为5μm就是利用微位移机构实现的。微位移机构的分类及应用3.微调精密仪器中的微调是经常遇到的间题，如图5-3(c)所示，左图表示磁头与磁盘之间的浮动间隙的调整，右图为照相物镜与被照乾版之间焦距的调整。微位移机构的分类及应用4.微执行机构主要用于生物工程、医疗、微型机电系统、微型机器人等，用于夹持微小物体。如图5-3(d)所示，微型器件装配系统的微夹持器。几种常用的微动工作台1.柔性支承—压电或电致伸缩微位移器驱动柔性支承微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。它的特点是结构紧凑、体积很小，可以做到无机械摩擦、无间隙，其有较高的位移分辨率，可达1nm。使用压电或电致伸缩器件驱动，不仅控制简单(只需控制外加电压)，而且可以很容易实现亚微米甚至是毫微米级的精度，同时不产生噪声和发热，可适于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移机构。书P143几种常用的微动工作台2.滚动导轨—压电器件驱动采用滚动导轨作为精密仪器中的精密工作台是一种常见的导轨形式，它具有行程大，运动灵活、结构简单、工艺性好、易实现较高的定位精度的优点。我国1445所使用滚珠导轨作为微动工作台的支承和导向元件，压电器件驱动实现了对自动分步重复光刻机(DSW)的微定位控制〔图5-7)。微动台的最大行程±9.5μm，定位精度为±0.04μm。几种常用的微动工作台3.平行弹簧导轨—机械式位移缩小机构驱动（1)弹性缩小机构：这种微动机构利用两个弹簧的刚度比进行位移缩小，如图5-8所示。这种缩小机构的缺点是当微动台承受外力或移动导轨部分存在摩擦力时，它将直接成为定位误差的因素，而且对于步进状态的输人位移容易产生过渡性的振荡，所以在不适于动态响应的条件下，可用于光学零件的精密调整机构等。几种常用的微动工作台3.平行弹簧导轨—机械式位移缩小机构驱动(2)杠杆式位移缩小机构杠杆式位移缩小机构也是微动机构中常用的一种形式。(3)楔形位移缩小机构图5-10(a)所示是利用具有微小角度的斜楔机构的位移缩小机构也已在实际中应用。特点是易获得大的缩小比，同时又能获得较大的移动范围。几种常用的微动工作台3.平行弹簧导轨—机械式位移缩小机构驱动几种常用的微动工作台4.平行弹簧导轨—电磁或电致伸缩微位移器驱动为克服丝杠螺母机构的摩擦和间隙，可采用电磁驱动的弹簧导轨微动工作台。其原理如图5-11所示，微动工作台用平行片簧导向，在工作台端部固定着强磁体，如坡莫合金制成的小片，与坡莫合金小片相隔适当的间隙装有电磁铁，通过电磁铁的吸力与上述平行片簧导轨的反力平衡，进行微位移动工作台的定位。几种常用的微动工作台5．气浮导轨：在近代精密导向技术中，行程与分辨率是一对主要矛盾。弹性导轨是为解决高分辨率(亚微米甚至是毫微米级)而采用的，但行程较小。为解决大行程和中等分辨率(亚微米级)的矛盾，在实际中广泛使用了气浮导轨。滚动导轨虽然也有可能达到亚微米级的精度，但一般而言，滚动导轨不如气浮导轨精度高且保持性和抗干扰性比较差。气浮导轨具有误差均化作用，因而可用比较低的制造梢度来获得较高的导向精度，而目气浮导轨还可使工作台得到无摩擦和无振动的平滑移动，因此在精密机械和仪器获得广泛的应用。几种常用的微动工作台图5-15是日本富士通公司的一种精密自动掩模对准工作台，其独特之处是楔形缩小机构与驱动机构同时兼作x，y方向的直线导轨。楔块部分由空气轴承构成，通过滚珠丝杠推动位移输人块，在2mm的移动范围内，得到0.03μm的分辨率。几种常用的微动工作台6.滑动导轨—压电器件驱动图5-18是安徽机械科学研究所研制的、利用压电陶瓷实现刀具自动补偿的微位移机构及其原理示意图，在压电陶瓷上加电压之后，向左伸长，推动方形楔块和圆柱楔块，克服压板弹簧的弹力将固定镗刀的刀套顶起，实现镗刀的径向补偿。几种常用的微动工作台5.2压电、电致伸缩器件压电、电致伸缩器件是近年来发展起来的新型微位移器件。它其有结构紧凑、体积小、分辨率高、控制简羊等优点，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。用这种器件制成的微动工作台，容易实现精度为0.1μm的超精密定位，是理想的微位移器件，在精密机械中得到了广泛的应用。5.2压电、电致伸缩器件5.2.1压电与电致伸缩效应—机电藕合效应电介质在电场的作用下，有两种效应压电效应和电致伸缩效应，统称机电耦合效应。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。而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。在微位移器件中我们应用的是逆压电效应，即电介质在外界电场作用下，产生5.2压电、电致伸缩器件应变，应变的大小与电场大小成正比，应变的方向与电场的方向有关，即电场反向时应变也改变方向；电介质在外加电场作用下应变与电场的关系为S=dE十ME2（5-4）式中:dE—逆压电效应。其中，d为压电系数,m/V；E为电场，V/m；ME2—电致伸缩效应。其中M为电致伸缩系数，/；S—应变。5.2压电、电致伸缩器件逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有，而电致伸缩效应则所有的电介质晶体都有，不过一般来说都是很微弱的。压电单晶如石英、罗息盐等的压电系数比电致伸缩系数大几个数量级，结果在低于1MV/m的电场作用下只有第1项，即逆压电效应。在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变，称为电致伸缩[1]。这种效应是由电场中电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中。其特征是应变的正负与外电场方向无关。在压电体中（见压电性），外电场还可以引起另一种类型的应变；其大小与场强成比例，当外场反向时应变正负亦反号。后者是压电效应的逆效应，不是电致伸缩。外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致伸缩效应之和。对于非压电体，外电场只引起电致伸缩应变。5.2压电、电致伸缩器件：材料1.压电晶体压电晶体常用的材料是锆钛酸铅和钛酸钡。由钛酸铅和镐酸铅组成的多晶固溶体，全名称为镐钛酸铅压电陶瓷，代号PZT(P—铅；Z—锆；T—钛)，其特点是:敏度高；机电耦合系数大，故机电换能效率高；机械品质因数高，几百到几千；材料性能稳定；居里温度很高；5.2压电、电致伸缩器件：材料2.电致伸缩材料电致伸缩材料最早是PMN铌镁酸铅系。1977年美国L.E.Cross教授研究出具有大电致伸缩效应的弛豫铁电体组分0.9PMN-0.1PT，它的居里点在0℃附近。1981年又开发了三元系固溶体0.45PMN-0.36PT-0.19BZN双弛豫铁电体，它具有良好的温度稳定性及大电致伸缩效应。它的介电常数、横向应变特性曲线如图5-20。PMN是由PbO,MgO,,Ti，BaC,ZrO等按比例烧结而成。1981年我国1426所研制La：PZT5.2压电、电致伸缩器件1.压电徽位移器件用压电陶瓷作微位移器件目前已得到广泛的应用，如激光稳频、精密工作台的补偿、精密机械加工中的微进给以及微调等。用于精密微位移器件的压电陶瓷，应满足下列要求：1）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。压电陶瓷的主要缺点是变形量小，即压电微位移器件在施加较高电压时，行程仍很小，所以在设计微位移器时，应尽量提高压电陶瓷的变形量，提高微位移器行程的措施1、增加压电陶瓷的长度L和提高施加的电压U,不足之处是结构增大，使用不便；2、减小压电陶瓷的厚度b,不足之处是使强度下降；3、选择不同的材料，压电系数不同；4、变形方向与极化方向一致；5、采用压电堆；6、尺螨机构。5.2压电、电致伸缩器件2.电致伸缩器件电致伸缩器件最早是1977年由Cross等人研制的，把PZT5或PMN材料制成φ25.4mm，厚2mm的圆片10片叠加起来，如图5-26（a），外加2.9KV电压可得到13μm的位移，其分辨率为1nm。电致伸缩驰豫型铁电体比普通的压电陶瓷更优越：1）电致伸缩应变大；2）位置重复性（再现性）好；不需要极化；3）不老化；4）热膨胀系数很低。5.3电磁控制的微动工作台电磁控制的微动工作台首先由日本研制成功。1955年NIHIZAWA等人开始研究至1975年研制出定位精度为0.2um的微动工作台，并成功地应用于电子束曝光机中，成为微位移技术中的一个新方法。5.3电磁控制的微动工作台_工作原理电磁驱动的原理如图5-28所示，把微动工作台1用4根链或金属丝4悬挂起来；工作台两端分别用弹簧3固定，另外两端放置两块电磁铁。通过改变电磁铁线圈的电流来控制电磁铁对工作台的吸引力，克服弹簧的作用力，达到控制工作台微位移的目的。设工作台的位移量为△d，当电磁铁的吸引力为F时，此时工作台保持平衡。F应等于弹簧的拉力F与工作台由初始位置位移△d所产生的挂丝拉力F之和，即5.3电磁控制的微动工作台_工作原理5.3电磁控制的微动工作台_工作原理电磁铁的吸引力为式中:B—电磁场磁通密度，Wb/m2；μ—导磁率,H/m；S—磁极截面面积，。弹簧的拉力为5.3电磁控制的微动工作台_工作原理式中:k—弹簧常数,kg/m；△d—工作台移动距离，m；g—常数(g=9.8N/kg)。设由于工作台移动而形成悬挂丝的偏角为θ,工作台向上移动为△h,那么，△h=L(1-cosθ)式中，L为挂丝长度，当L足够长时，△h/L=1-cosθ。由于θ很小，故△h/L→0，故弹簧拉力与挂丝的拉力相比较，可以忽略不计，所以公式(5-9)变成5.3电磁控制的微动工作台_工作原理由上式可见工作台移动的距离,△d与磁通密度的平