大驱动力高刚度纳米致动新原理研究

　　1　引言

　　纳米致动器是纳米测控系统中的关键部件之一,它能够以0.1~100nm的步距移动被测控的对象。纳米致动器在纳米仪器设备和纳米加工设备中有广泛的应用,如扫描探针显微镜的探针驱动和样品进给装置,超精密机床中的微量进给装置,能量束加工中的精确定位装置等。另外,纳米致动器在很多相关的学科领域也起着重要的作用,如生物医学工程中游离细胞捕捉仪的微进给机构、集成电路制造设备的定位机构等。现有纳米致动器的类型主要有压电陶瓷致动、磁致伸缩致动、冲击式电磁致动、形状记忆合金致动、静电致动和热致动等^[1] 。当负载很小时(如探针),机械应力所引起的应变可以忽略不计,上述各种致动器比较容易达到纳米级位移分辨率。然而,随着负载的增加,机械应力所引起的应变也随之加大,甚至成为影响位移分辨率的主要因素。因此,大驱动力纳米致动要比小驱动力纳米致动困难得多。目前,实际应用的纳米致动器基本上都是小驱动力的,仅见到美国康涅狄格大学研制出大驱动力、高分辨率压电马达(刚度达90N/μm,驱动力达200N)的相关报道^[2] 。我们在国家自然科学基金的支持下,成功地开展了大驱动力高刚度纳米致动新原理的研究,本文主要介绍此项工作的最新进展。

　　2　结构设计

　　相对于其它致动器而言,电磁式致动器比较容易获得较大的驱动力,其典型结构有电动式、动铁式和冲击式几种。电动式致动器的工作范围比动铁式致动器大,但就产生驱动力而言动铁式致动器却更胜一筹,遗憾的是它们的位移分辨率至今仍未达到纳米级水平。冲击式致动器的位移分辨率虽然达到纳米级水平,但由于其位移分辨率受到冲击力、冲击力作用时间、摩擦阻力和负载等多种因素影响,实际应用中很难控制。总之,电磁式致动器虽然在常规和微米致动中占据主导地位,但在纳米致动中却一直处于尴尬的地位。

　　压电陶瓷致动器比较容易获得纳米级甚至亚纳米级的位移分辨率,因而成了纳米致动的首选部件。需要指出的是,现有商品化的纳米压电陶瓷致动器的驱动力都很小,此时位移量主要是由逆压电效应确定的,机械应力所产生的应变几乎可以忽略不计。对于大驱动力纳米压电陶瓷致动器而言,机械应力所产生的应变较大,它对位移分辨率的影响也随之增大,甚至成为主要的因素。由此可见,研制大驱动力纳米压电陶瓷致动器是一件极为困难的工作。

　　从上述的分析中可以看出,电磁致动器和压电陶瓷致动器具有优势互补的特点。如果能够将电磁致动器的大驱动力和压电陶瓷致动器的高位移分辨率有机的结合起来,就有可能为大驱动力高刚度纳米致动提供一条新的途径。正是基于这一思想,我们设计出了图1所示的大驱动力高刚度纳米致动系统,它由电磁致动器、压电陶瓷致动器、控制器、耦合装置和驱动轴等构成。