精密二维扫描工作台的研制

　　现在，无论是半导体集成电路的制造，还是各种高精密显微镜如扫描隧道显微镜、扫描超声显微镜、扫描电子显微镜以及各种高精密加工刀架等，都对二维工作台提出了更高的要求:高分辨率、大范围、高刚性、无摩擦、无爬行和高的机械响应频率等。

　　机械传动的二维工作台，由于机械传动的间隙、摩擦、爬行等因素限制了工作台的位移分辨率的提高，即使高精密的工作台，其位移分辨率一般也要大于0.1μm，同时，机械传动的二维工作台一般是由二层工作台组成，因此工作台体积、质量大，因而惯性也大，扫描频率低。本文对我们用于超精加工后进行表面形貌测量的扫描隧道显微镜中采用的二维扫描工作台进行介绍。该工作台的特点是:采用电致伸缩微位移器驱动，高精度(经实验验证，位.移分辨率优于0.05μm)，大范围(37μm×37μm)，单层二维工作台，由于采用了柔性铰链结构，因而工作台无摩擦，无爬行。

　　1柔性铰链的概念

　　60年代初期，由于航空、航天技术发展的需要，对微小位移提出了无机械摩擦、无间隙、高精度的要求，并对结构尺寸提出了微型化的要求。以后，人们经过对多种型式的弹性支承试验探索后，逐步开发了如图1所示的无机械摩擦、无间隙的柔性铰链。单向柔性铰链的特性是只有在z方向受力时，铰链才发生扭转;在x、y方向受力时，铰链显示出刚性。万向柔性铰链的特性是在任一方向受力时，柔性铰链都发生扭转。随后，这两种型式的柔性铰链很快广泛地应用于加速度计、导弹制导装置和精密天平等仪器中。70年代又在LSI和VLSI制作和检验设备、电子显微镜、超精加工机床等领域中得到了广泛应用，获得了前所未有的高精度和高稳定性。现在，这种柔性铰链结构与高分辨率压电陶瓷的结合，又使工作台的精度进入了纳米级时代。

　　2工作台的结构

　　我们最近研制的单层二维扫描工作台如图2所示，由x工作台、y工作台和基座构成。驱动装置由电致伸缩微位移器1、作用杆2、预紧螺钉3、外壳4组成。x工作台、y工作台和基座做成一体，在同一块弹簧钢板上，用线切割机割出。x工作台和y工作台利用割剩下的两个半圆间的薄壁即柔性铰链相连，y工作台与基体也以柔性铰链相连。驱动x工作台的电致伸缩微位移器1放在壳体4中，用螺钉紧固在y工作台上;驱动y工作台的电致伸缩微位移器也以同样方式固定在基座上。

　　3二维扫描工作台的工作原理

　　在x方向，计算机发出扫描脉冲，经数模转换，再经电压放大转换成驱动电致伸缩微位移器的驱动电压，使微位移器伸长，通过作用杆2，推动x工作台。在作用杆2的推力作用下使臂x1. x2. x3 .x4绕其各自的柔性铰链发生扭转，从而使x工作台沿x方向移动，如图3所示。当驱动电压逐渐变小，直至为零时，柔性铰链靠其弹性，也逐渐恢复原来状态，直至回到零位，从而使x工作台在计算机控制下，沿x方向完成扫描运动。在这种情况下，x工作台是运动件，而y工作台相对于x工作台是静止的基座。