微致动技术的发展与应用

　　0　引　言

　　人类认识和改造客观世界的过程,是人类以自身为特征尺寸向宏、微两极世界不断探索的过程.无论是面向宏观世界,还是面向微观世界,都有一个共同需求———随着探索的深入,所倚赖的认识工具愈加精密化.例如,主镜面口径达24 m的哈勃空间望远镜,其主镜设计形状精度仅为0.025μm[1];举世闻名的三峡大坝,发电机座内径尺寸达20 m,但是其内径径向的测量精度要求在50μm以内;用来加工大型光学镜面的美国POMA计划,其金刚石刀具刀尖圆弧半径为0.02μm,而日本更是将这一指标提高到0.004μm.美国加州大学伯克利分校研制的迄今为止世界上最小的人造发动机,宽度仅0.5μm[2].因此,在一定意义上说,人类认识世界的过程,也是认识工具不断精密化的过程.

　　20世纪60年代以来,日本、德国、美国等科技发达国家相继提出“精密工程”、“超精密工程”的概念.关于精密和超精密标准,2000年,日本精密工学会曾以图解形式做出过动态解释.根据这一解释,当时精密和超精密相应的标准分别为0.1μm和0.01μm.现在,精密与超精密工程已经步入纳米甚至埃米量级时代:纳米光学、纳米定位、纳米加工竞相出现,纳米弹簧、纳米牛[3]、纳米直升机[4]接连问世,而原子“IBM”、原子“中国”更是将Richard Feynemad在1959年的预言变成现实.在精密工程领域,人们不断设想极限,又不断突破极限.精密工程和超精密工程对于尖端科学研究和高新技术发展具有决定性的影响,其研究内涵丰富,涉及学科广泛,微致动研究是其中一项关键且基础性的技术科学课题,是实现微驱动和微定位的基础.

　　1　微致动定义与特征

　　关于微致动,目前尚没有统一定义.有些学者从致动精度出发,认为微致动指致动器能够产生微米~纳米级的运动.有些学者则给出了一个狭义的微致动,不仅要求致动精度达到微、纳米级,而且致动器自身的尺寸也应属于微米级.

　　鉴于上述定义可能的歧义性,有些学者[5]根据致动器特征尺寸进一步细分为特征尺寸毫米级以上的宏机械微致动、制作在芯片上的微机械微致动、分子尺度的纳机械微致动.

　　本文认为,致动器是否微型化并非微致动的主要内涵,微致动的关键在于致动精度,而致动器的特征尺寸仅取决于微致动的应用领域,如:应用于超精密切削等要求输出力较大的领域,其尺寸要求较大,以满足刚度方面的要求;而在MEMS领域,其尺寸自然是微米级的,否则无法集成;还有一些场合,如在微操作中,致动器是宏机械(定位台),而执行器可能是微机械(微夹钳).另外,关于致动精度,也不应过于严格的界定,特别是不应将微致动的“微”理解为微米范畴.