針對雙探針原子力顯微鏡的需求,設(shè)計了一種提供精確位移的大行程定位平臺。采用柔性鉸鏈和壓電陶瓷致動器分別作為定位平臺的導(dǎo)向機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)。在X、Y和Z軸運動方向通過并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)獨立位移。對定位平臺進行數(shù)學(xué)建模,分析和計算定位平臺的工作剛度和固有頻率,并進行了有限元仿真分析。以電容傳感器作為位移測量單元構(gòu)建了定位平臺實驗裝置,并進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明:定位平臺在X與Y軸方向上擁有110μm的行程,分辨率為5 nm,在Z軸方向上擁有45μm的行程,分辨率為5 nm。 

【文章來源】：計量學(xué)報. 2020,41(11)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

機械結(jié)構(gòu)圖

本文主要考慮模特中的固有頻率和模態(tài)振型，以防止定位平臺產(chǎn)生共振。圖3顯示了定位平臺的模態(tài)分析結(jié)果，分別為定位平臺的一階、二階、四階共振頻率和振型。定位平臺在X、Y和Z方向上的模態(tài)頻率fx、fy和fz分別為105.11 Hz、110.36 Hz和252.97 Hz。有限元分析和理論計算的相對誤差分別為4%,5.8%和17%。定位平臺沿X方向和Y方向具有相似的結(jié)構(gòu)，故定位平臺沿X方向和Y方向具有幾乎相同的諧振頻率和動態(tài)特性。理論分析和仿真結(jié)果存在誤差的主要原因有:

圖4為搭建的定位平臺實驗裝置，采用PID控制來改善壓電陶瓷驅(qū)動器的動態(tài)特性，并進行了初步的測試來驗證其性能。輸入位移由4個壓電陶瓷(PI,P840.1B和PI,P840.2B)提供，其公稱位移分別為15μm,30μm，剛度分別為57 N·μm-1,27 N·μm-1。電壓增益為10的單通道壓電放大器(PI,E-505)可以提供-30 V到+130 V的電壓。采用測量精度高、測量速度快和抗干擾能力強的電容傳感器(Micro Sense2805)測量目標(biāo)輸出位移和測量可能的耦合位移[15～17]，其檢測分辨率為0.43 nm，量程為±100μm。所有信號均采用16位分辨率的數(shù)據(jù)采集卡(研華，PCI-1706U)記錄。圖4 定位平臺實驗裝置

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]壓電陶瓷驅(qū)動器遲滯非線性建模及逆補償控制[J]. 劉鑫,李新陽,杜睿.  光電工程. 2019(08)
[4]一種可溯源原子力探針顯微鏡[J]. 楊文軍,胡遲,劉曉軍.  計量學(xué)報. 2019(02)
[5]用于紫外光學(xué)顯微鏡的二維納米位移臺的設(shè)計及實驗驗證[J]. 常旭,高思田,施玉書,黃鷺,李琪,李東升.  計量學(xué)報. 2017(S1)
[6]超精密定位工作臺[J]. 吳鷹飛,周兆英.  微細加工技術(shù). 2002(02)

博士論文
[1]用于線寬測量的雙探針原子力顯微鏡對準(zhǔn)系統(tǒng)研究[D]. 張華坤.合肥工業(yè)大學(xué) 2014

碩士論文
[1]壓電陶瓷微定位平臺遲滯建模及自適應(yīng)控制方法研究[D]. 張雁南.吉林大學(xué) 2019
[2]雙探針原子力顯微鏡測量系統(tǒng)開發(fā)[D]. 王龍龍.天津大學(xué) 2014



本文編號：3562565