专利名称：大行程纳米级步距压电微动工作平台及其驱动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及纳米测量和纳米定位，特别是一种大行程纳米级步距压电微动工作平台。适用于纳米技术领域，特别是纳米机械加工、纳米测量、电子器件生产、微型机电系统、纳米材料、生物医学等领域。
背景技术：
微驱动、定位技术是当今世界各国研究的热点问题，是纳米测量及加工技术中的关键技术之一，无论是纳米测量还是纳米定位，都需要有一个微驱动系统。微驱动器的性能好坏，直接影响到测量或定位的精度。所谓微驱动器指的是能产生微驱动作用的器件和装置。微驱动器是微驱动、定位系统中的重要组成部分。国内外著名的大学和实验室都将有关微驱动器的设计、加工、制造技术、测试技术等的研究作为微机械研究的一个重点方向和突破口。压电马达是近年来发展起来的新型驱动器，是一种利用压电陶瓷逆压电效应制作的微位移器，具有体积小、推力大、精度高、位移分辨率高和频响快等优点，并且不发热，不产生噪声，是理想的微位移传感器。它的出现带动了诸如超大规模集成电路加工、精密光学控制、超精加工、显微分析、人工智能控制等的飞速发展，在国防、微电子、航空、航天等尖端领域发挥着极为重要的作用。虽然压电马达达到了应用的水平，但由于价格比较贵而难以在更加广的范围内应用，改变马达的结构和选择适当的材料都可以进一步降低马达的成本。在这种情况下，研制一种结构简单、造价低、装调容易、运动精度高的压电微动装置，在精密测试技术领域还是有着一定的研究价值和现实意义的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种结构简单、装调容易、运动精度高的大行程纳米级步距压电微动工作平台。本发明所要解决的另一技术问题是，提供一种结构简单、装调容易、运动精度高的大行程纳米级步距压电微动工作平台驱动控制系统。
为解决上述技术问题，本发明的大行程纳米级步距压电微动工作平台，包括底座。所述底座上设置有导轨块，导轨块上设置有导轨，导轨连接有可沿该导轨移动的平台；所述导轨块的端部设置有驱动单元，驱动单元由夹紧器和驱动器组成，夹紧器在其电极通电时，产生伸展或收缩变形，用于完成夹紧和放松动作。
所述的驱动单元为2个，2个单元对称放置。
所述的夹紧器为多片层叠块状压电晶体。
所述的驱动器为块状压电陶瓷。
所述的夹紧器和驱动器之间设置有连接块。
为解决上述技术问题，本发明的大行程纳米级步距压电微动工作平台驱动控制系统，包括单片机以及与该单片机连接的程序存储器、锁存器、数模转换器、译码器、键盘和显示电路，程序存储器内存储有控制程序；所述单片机的P1口的两个管脚定时取反用于产生并按时序输出2路方波；所述数模转换器用于产生并按时序输出2路三角波；上述4路时序波形经直流放大器放大后，驱动大行程纳米级步距压电微动工作平台。
所述的驱动控制系统在运行控制程序时，执行以下步骤a、开始；b、初始化；c、显示±00H000U；d、设定频率、电压值；e、显示00F0000；f、设定步数；g、参数计算；h、定时器初始化；i、设定运动方式；j、按以下指令设定运动方式，前行forwardflag＝1，后退forwardflag＝0，连续continueflag＝1，单步continueflag＝0；k、执行；l、结束。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果(一)由于采用平台——导轨式结构，直接使工作平台产生纳米级的运动分辨力，总行程可以达到十几毫米，并将传统单驱动器结构改为双驱动器结构，配以适当的四路驱动信号，实现了压电微动工作平台的连续匀速运动；(二)本发明与扫描探针显微镜(SPM)相结合，可用于微型机电产品、微电子产品的检测中，还可与纳米机械加工过程相结合，对加工过程进行实时控制。
图1是本发明大行程纳米级步距压电微动工作平台的结构示意图；图2是本发明大行程纳米级步距压电微动工作平台的运动原理图；图3是本发明大行程纳米级步距压电微动工作平台驱动控制系统的驱动电压波形图；图4是本发明大行程纳米级步距压电微动工作平台驱动控制系统的系统硬件结构图；图5是本发明大行程纳米级步距压电微动工作平台驱动控制系统的控制程序流程图；图6是本发明的实验装置连接示意图；图7是位移随频率变化曲线；
图8是位移随电压变化曲线；图9是本发明大行程纳米级步距压电微动工作平台的位移曲线。
附图标记1是驱动器 2是夹紧器 3是平台 4是连接块 5是导轨块具体实施方式
以下附图对本发明作详细说明。
本发明大行程纳米级步距压电微动工作平台的实施例如图1所示，本发明的压电微动工作平台包括平台3、导轨块5、底座、两个夹紧器2、和两个驱动器1。两个夹紧器中，图中左边的夹紧器为C1，图中右边的夹紧器为C2。两个驱动器中，图中左边的驱动器为A1，图中右边的驱动器为A2。由一个夹紧器和一个驱动器组成一个单元。夹由于这两个单元的原理、结构及应满足的功能完全一致，故将两个单元对称放置，这样既加大了微动工作平台的驱动力，又增加了运行的平稳性，且结构简单，安装方便。紧器2和驱动器1之间设置有连接块4。导轨块5设置在底座上，导轨块5上设置有导轨，平台3可沿该导轨移动。驱动单元设置在导轨块的两端，夹紧器在其电极通电时，产生伸展或收缩变形，用于完成夹紧和放松动作。
对于夹紧器，选用了形变较大的多片层叠块状压电晶体，给压电晶体块的电极通电时，它们会同时产生变形—伸展或收缩，来完成夹紧和放松平台的动作。对于驱动器，选择了块状压电陶瓷，适当选择所加电压(根据不同压电陶瓷所能承受的电压施加电压)，使之满足产生较大变形和驱动力的要求。
与上述运动原理相配合的供电电压波形如图3所示。图3上方是供给夹紧器C1、C2压电晶体块的电压波形，而图3下方是供给驱动器A1、A2块状压电晶体的电压波形。在过渡区Tr时，由于C1和C2同时夹紧，因此A1推与A2拉形成合力，同时驱动平台运动。由于A1、A2运动上的搭接以及供给驱动器的是三角波，故马达运动状态是连续的匀速运动，从而保证了运动的平稳性。如果将C1与C2、A1与A2驱动波形同时互换时，平台将向相反方向运动。
由于压电材料具有体积小、无热源、超高分辨率等优点，因此可以用来实现微驱动。本发明在“尺蠖原理”的基础上进行了技术改进，由控制系统产生四路激励信号，采用新颖的“推—拉”原理实现微动工作平台的纳米级连续匀速运动。“推—拉”原理如图2所示。压电微动工作平台是由两个夹紧器C1、C2和两个驱动器A1、A2组成的。当夹紧器C1夹紧时，夹紧器C2放松，同时驱动器A1膨胀，推动微动工作平台的平台向左运动，此时，驱动器A2膨胀(此为预备动作)；下一步，当夹紧器C2夹紧时，加紧器C1则处于放松状态，驱动器A2收缩，由于C2的夹紧，故继续拉动平台向左运动，同时驱动器A1收缩(此也是预备动作)；下一步，同第一步，即C1夹紧，C2放松，A2和A1膨胀，推动平台运动……。如此往复，交替地“推”和“拉”，从而使平台不断地向左连续运动。
本发明大行程纳米级步距压电微动工作平台驱动控制系统实施例本发明的大行程纳米级步距压电微动工作平台驱动控制系统如图4所示，它用于产生图3所示的四路时序波形，即输出两路三角波、两路方波，并按时序输出。控制系统产生的四路时序波形经直流放大器放大后，加到压电马达上，使其完成前进或后退、单步或连续运动等功能。硬件系统采用的是8031单片机控制系统，方波的输出是以P1口的两个管脚定时取反而得，三角波则是由外扩的两片D/A转换芯片DAC0832的同步缓冲输出获得。键盘和显示选用的是8279芯片。直流放大器是采用专用于压电陶瓷的四路直流高压放大器。软件系统采用Keil C高级语言编程，以定时器中断方式产生所需波形。控制程序流程图如图5所示。
性能测试如下图6为压电马达性能测试所用实验装置连接示意图。电容测微仪选用的是JDC-2000型高精度电容测微仪，其分辨力可达4nm/mV。利用以上装置，对本发明的大行程纳米级步距压电微动工作平台的运动特性进行了测试。
压电微动工作平台运动位移与驱动频率的关系实验实验中，保持驱动电压幅值不变，改变驱动电压频率。在1～40Hz的频率范围内，频率每改变5Hz进行一次测量，分别在200V和100V驱动电压下测得的压电微动工作平台单步位移量与驱动频率之间的关系曲线如图7所示。由图7可以看出，当驱动电压幅值一定时，压电微动工作平台的步距随驱动频率的提高而减小。
压电微动工作平台运动位移与驱动电压的关系实验驱动电压频率固定在5Hz，驱动电压幅值每提高50V测量一次，测得的压电微动工作平台单步位移量与驱动电压之间的关系曲线如图8所示。由图8可以看出，当驱动电压频率一定时，压电微动工作平台的步距随驱动电压的增大而增大。
压电微动工作平台的驱动速度测试通过实验发现，压电微动工作平台的运动速度不仅与驱动电压的大小有关，还与驱动频率有关。在额定电压内，驱动速度随驱动电压的增大而单调递增。表1所示为200V驱动电压下，不同驱动频率时的微动工作平台的运动速度。从表1中可以看出，该压电微动工作平台的运动速度可以达到13.86μm/s。加大电压可以进一步提高驱动速度，但要看所用压电元件允许多大的驱动电压，否则会损坏压电元件，甚至引起击穿。
表1 200V电压下不同频率运行速度比较
压电微动工作平台运动的线性度通过大量实验发现，虽然该压电微动工作平台采用的是推—拉接力式的运动原理，但由于巧妙的系统设计，保证了该微动工作平台的运动位移是线性的，即该马达实现了连续匀速运动。图9为在200V、30Hz的驱动电压下，测得的压电微动工作平台运动位移曲线。测量时，由压电微动工作平台控制器控制其运动，微动工作平台每运动两步记录一次数据。由图9可以看出，压电微动工作平台的运动位移是线性的。
压电微动工作平台的承载力实验中，给微动工作平台施加200V、1Hz的电压，将砝码从小重量加起放在微动工作平台上，同时观察电容测微仪的示数变化，最后测得压电微动工作平台的最大承载力为24N。
压电微动工作平台的最小步距实验中发现，压电微动工作平台在驱动电压低于5V时，运行不稳定，有停滞不动现象，因此，我们取数据相对稳定的5V、10Hz电压下测得的位移量作为最小步距。测得数据如表2所示。
表2 5V、10Hz下每行进2步位移
由表2可以看出，本发明的压电微动工作平台的最小步距平均可达18.4nm。如果用小变形的压电元件做驱动器，并进一步提高驱动频率，可以获得更小的步距。
压电微动工作平台运行范围施加200V、1Hz电压，选择连续运动方式，使压电微动工作平台运动。经过110分钟左右时间的运动，压电微动工作平台的夹紧装置与平台端面之间达到最小接触状态，停止运动，此时测量压电微动工作平台的运动位移量为11mm，因此可以得出压电微动工作平台运行的最大范围为11mm。
本发明采用以尺蠖运动原理为基础的新颖的“推—拉”接力运动原理，通过信号控制系统及巧妙的结构设计，实现了匀速连续运动，并获得了很好的运动线性度。该微动工作平台的行程可达11mm，理论上可以达到上百毫米，实际上主要取决于平台的尺寸。
该微动工作平台的步距随着驱动电压的增大而增大，随着驱动频率的提高而减小，最小步距可达纳米级。通过调节驱动电压的幅值及频率，可以改变微动工作平台的驱动速度，最快可以达到13.86μm/s。该微动工作平台的载物能力可以达到24N，有良好的实际应用前景。
权利要求
1.一种大行程纳米级步距压电微动工作平台，包括底座，其特征在于，所述底座上设置有导轨块，导轨块上设置有导轨，导轨连接有可沿该导轨移动的平台；所述导轨块的端部设置有驱动单元，驱动单元由夹紧器和驱动器组成，夹紧器在其电极通电时，产生伸展或收缩变形，用于完成夹紧和放松动作。
2.根据权利要求1所述的一种大行程纳米级步距压电微动工作平台，其特征在于，所述的驱动单元为2个，2个单元对称放置。
3.根据权利要求1所述的一种大行程纳米级步距压电微动工作平台，其特征在于，所述的夹紧器为多片层叠块状压电晶体。
4.根据权利要求1所述的一种大行程纳米级步距压电微动工作平台，其特征在于，所述的驱动器为块状压电陶瓷。
5.根据权利要求1所述的一种大行程纳米级步距压电微动工作平台，其特征在于，所述的夹紧器和驱动器之间设置有连接块。
6.一种大行程纳米级步距压电微动工作平台驱动控制系统，其特征在于，所述驱动控制系统包括单片机以及与该单片机连接的程序存储器、锁存器、数模转换器、译码器、键盘和显示电路，程序存储器内存储有控制程序；所述单片机的P1口的两个管脚定时取反用于产生并按时序输出2路方波；所述数模转换器用于产生并按时序输出2路三角波；上述4路时序波形经直流放大器放大后，驱动大行程纳米级步距压电微动工作平台。
7.根据权利要求6所述的一种大行程纳米级步距压电微动工作平台驱动控制系统，其特征在于，所述的驱动控制系统在运行控制程序时，执行以下步骤a、开始；b、初始化；c、显示±00H000U；d、设定频率、电压值；e、显示00F0000；f、设定步数；g、参数计算；h、定时器初始化；i、设定运动方式；j、按以下指令设定运动方式，前行forwardflag＝1，后退forwardflag＝0，连续continueflag＝1，单步continueflag＝0；k、执行；l、结束。
全文摘要
本发明公开了一种大行程纳米级步距压电微动工作平台及其驱动控制系统。适用于纳米技术领域，特别是纳米机械加工、纳米测量、电子器件生产、微型机电系统、纳米材料、生物医学等领域。本发明的大行程纳米级步距压电微动工作平台，包括平台和底座。所述平台上设置有导轨和沿该导轨移动的导轨块；所述导轨块的端部设置有驱动单元，驱动单元由夹紧器和驱动器组成，夹紧器在其电极通电时，产生伸展或收缩变形，用于完成夹紧和放松动作。本发明采用平台——导轨式结构，直接使工作平台产生纳米级的运动分辨力，总行程可以达到十几毫米，并将传统单驱动器结构改为双驱动器结构，配以适当的四路驱动信号，实现了压电微动工作平台的连续匀速运动。
文档编号B23Q1/25GK1693028SQ200510013559
公开日2005年11月9日 申请日期2005年5月26日 优先权日2005年5月26日
发明者赵美蓉, 林玉池 申请人:天津大学