《微纳米定位技术-v》PPT课件

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1、微细制造朱利民zhulm@sjtu.edu.cn，342065451.纳米定位系统概述2.压电驱动柔性铰链微位移平台3.微位移平台的控制方法4.纳米定位技术的应用纳米定位系统1.纳米定位系统1.1微纳米制造装备多维运动系统多轴联动、高速、高加速度、大载荷、高定位精度、高同步精度、真空环境、……。光学检测系统双目显微视觉对准、光栅相位对准、基于CCD的预定位、……。工艺过程控制系统在极短的时间内精确控制工作区域内的温度、功率、压力和流量等工艺过程参数。1.2微纳米定位平台的组成12-15G高加速度12-15G高速度0.8~1m/s

2、2-3G1.5G驱动形式导向机构球滚动导轨柱滚动导轨气浮导轨载荷大小行程大小直线电机DD马达1.5~3kg40kg1~2kg50~100mm300mm应用领域微电子制造装备洁净环境(1~10万)等级真空环境（10-6~10-9托）热场气流场静电场磁场精密操纵作业环境多物理场及其耦合直线电机高精密定位系统光刻机前道主机平台后道制造Wirebonder光刻机平台传统的旋转电机与丝杠、减速器、轴承等组合的驱动传动结构，引入摩擦、间隙、机械弹性变形等问题，无法满足纳米精度要求。应用于纳米级精密定位领域的执行器主要有：1）洛伦茨电机

3、：直线电机、平面电机、音圈电机2）固态执行器：压电执行器、磁致伸缩执行器、…1.2用于纳米定位的执行器种类直线电机直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。用直线电机直接驱动后加速度可以达到2.5~6g。存在齿槽效应和边缘效应所造成的力矩纹波，给控制带来了一定困难。1）洛伦茨电机直线电机直线电机工作原理音圈电机（VoiceCoilMotor）音圈电机是一种特殊形式的直接驱动电机.具有结构简单、体积小、高速、高加速、响应快等特性.其工作原理

4、是,通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力,力的大小与施加在线圈上的电流成比例.基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧.音圈电机一般可以达到500-1000Hz的运动频率，甚至更高。其控制位置精度最高到几十个纳米这样的精度要求。采用直线音圈电机直接驱动后加速度可高达10g以上。但由于没有中间减速装置，因此对负载变化很敏感。此外，支撑导轨非线性摩擦也给定位系统的控制带来困难。圆柱形直线音圈电机摆角式音圈电机矩形直线音圈电机超声波直线超声波电动机是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。由于激振元件为压电陶瓷，所以也称为压电

5、马达。具有低速大力矩输出、功率密度高、起停控制性好、精确定位、、噪音小等优点。采用超声波直线电机直接驱动有效提高了重复定位精度，但平台的速度和加速度不高。超声波电机2）固态执行器压电陶瓷执行器当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些对应面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生电荷的现象称为正压电效应。当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。压电陶瓷是一类能产生逆压电效应的压电晶体。压电陶瓷执行器具有体积小、位移分辨率高（亚纳米级）、响应速度快（几十微秒）、

6、输出力大、换能效率高、静态不发热等优点。但压电陶瓷执行器的行程最大一般只有数百微米。应用：压电陶瓷执行器常用于超精密纳米定位机构中。压电陶瓷执行器磁致伸缩执行器某些磁性体的外部一旦加上磁场则磁性体的外形尺寸会发生变化，利用这种现象制作的驱动器称为磁致伸缩驱动器。精度可达纳米级，响应速度快(微秒级)，输出力大，工作电压低(几伏至几十伏)，设计相对简单。但为了消除线圈发热引起的热变形因素的影响，必须专门设计恒温冷却系统，给其应用带来了不利因素。磁致伸缩驱动器原理图磁致伸缩驱动器磁致伸缩执行器与压电陶瓷执行器比较推力：磁致伸缩执行器>

7、压电陶瓷执行器最大行程：磁致伸缩执行器>压电陶瓷执行器位移分辨率：磁致伸缩执行器（纳米级）<压电陶瓷执行器（亚纳米级）响应速度：磁致伸缩执行器<压电陶瓷执行器工作带宽：磁致伸缩执行器（几十Hz到1000Hz）<压电陶瓷执行器电致伸缩陶瓷执行器压电体在外电场外电场作用下会产生区别于逆压电效应的形变，其大小与场强成比例。电致伸缩陶瓷执行器是由特殊压电材料制成的具有良好的温度稳定性及大的电致伸缩效应的驱动器。其产生的形变与外电场的平方成正比，导致驱动器在低电压段位移分辨率高、高电压段位移分辨率低的现象，降低了驱动器整体分辨率。另外，驱

8、动器材料的温度漂移系数比较大，在高精度应用中对环境的要求较高。电致伸缩陶瓷执行器微位移传感器主要有：激光干涉仪电容式传感器电感式传感器应变式传感器光栅式传感器……1.3微位移传感器1）激光干涉仪（laserinterferometer）原理：以激光波长为已知长度