具有纳米级分辨率的超精密定位工作台

　　1　引　言

　　21世纪,纳米测量具有广泛的需求,例如在微电子领域,1999年的典型线宽为180 nm,到2006年的典型线宽将为100 nm,2009年典型线宽将为70 nm。定位精度应为线宽的1/3~1/4。在生物领域,DNA的尺度在2~3 nm范围内。所以,微纳米定位技术在超精加工、微电子工程、生物工程、纳米技术领域中有着重要的应用[1~7]。

　　传统的微动工作台采用精密丝杆副及滚动(或滑动)导轨、精密螺旋楔块机构、涡轮-凹轮机构、齿轮-杠杆式机构等机械传动式微位移驱动器。由于机械摩擦、间隙、爬行等原因,其运动精度、定位精度很难达到亚微米甚至纳米量级。压电陶瓷则可以很容易实现高分辨率的运动,而且没有空回、粘滑等现象,成为微定位系统中广泛应用的微致动器[2,3]。而柔性铰链机构具有无机械摩擦、无间隙、不需要润滑、不产生热量和噪声等优点。采用压电陶瓷驱动的柔性铰链工作台,具有直接传动、结构紧凑、重量轻、位移分辨率高等优点,有着广阔的应用发展前景。近年来,国内外对柔性铰链微定位工作台进行了大量的研究[4~7]。清华大学李庆祥教授等人[4]早在20世纪80年代就在研究柔性铰链工作台方面取得了重大突破,其分辨率优于0·01μm。韩国的Ryu Jae W教授[7]等人研制出了开环控制分辨率达7~8 nm的微定位工作台,并构建了运动模型。

　　本文设计了一种具有较大传动比的超精密定位工作台,并从理论上对其刚性等机械性能进行了计算分析。采用具有亚纳米测量分辨率的双频激光干涉仪[8]对该定位工作台的运动定位特性进行了测量。在1 000 V电压驱动下,压电陶瓷通过定位工作台形成的测量分辨率可以达到0·2 nm。

　　2　设计原理与方案

　　2·1　总体方案

　　柔性铰链工作台及其控制系统的结构框图如图1所示。系陶瓷微位移器组成,采用双频激光干涉仪SJD5检测,由计算机和相位计共同组成闭环控制系统。通过计算机给出数字信号,经D/A转换并放大,产生0~1 000 V、步长为1 V的可变电压,驱动压电陶瓷伸缩,然后再由压电陶瓷带动柔性铰链工作台作微位移。

　　2·2　微致动器———压电陶瓷的选择

　　分别采用了中国科学院声学所研制的压电陶瓷PZT1和德国PI公司20世纪90年代初制造的压电陶瓷PZT2作为驱动件。这两种PZT的量程都在5μm左右,驱动电压均为1 000 V。所以平均电压每升高或降低1 V对应的分辨率在5 nm左右。另外还采用了日本产的压电陶瓷PZT3,其最大量程约为15μm,对应于驱动电压150 V;如果对定位精度要求相对较低的话,可使用PZT3。所以,为了进一步提高微位移分辨率,须采用具有一定减速比的柔性铰链工作台。