具有毫米行程的二维纳米位移台的制作方法

本发明涉及一种具有毫米行程的二维纳米位移台，是一种具有毫米行程、同时拥有纳米级步进分辨率和重复性的新型单轴纳米位移执行器，属于精密定位技术领域。主要适用于扫描隧道显微镜、原子力显微镜、集成电路的加工和衍射光栅刻划机等众多领域中的样品扫描及精密定位。

背景技术：

在扫描隧道显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜以及衍射光栅刻划机等高精度测试加工设备中，具有纳米级定位精度的驱动执行器是设备最重要的核心部件之一。对于单轴方向的纳米运动，现在主要的驱动执行器有一维纳米台、惯性压电驱动器和尺蠖压电驱动器等。 其中一维纳米台机构由单轴纵向伸长压电陶瓷棒、 整体切割柔性铰链及杠杆机构、压电陶瓷控制器构成。纳米台运动的基本原理为：压电陶瓷棒在施加电压后,由于逆压电效应,导致纵向长度伸长, 由于纳米台固定部分和移动部分之间通过柔性铰链连接，因而压电陶瓷棒长度变化将推动纳米台移动。因为压电陶瓷棒长度变化较小, 通常在柔性铰链之前增加杠杆机构放大位移。

惯性压电驱动器主要由压电陶瓷管、蓝宝石棒和滑块组成。惯性压电驱动器的基本原理：压电陶瓷棒在施加电压后伸长，并带动蓝宝石棒和滑块一起移动，然后立即撤除压电陶瓷棒上的电压后使压电陶瓷棒快速回复，滑块在惯性的作用下移动的距离较小从而实现纳米级步进。尺蠖压电驱动器主要由压电陶瓷管及滑杆组成。尺蠖压电驱动器的基本原理：通过两边的压电陶瓷管依次径向收缩夹紧滑杆，再通过中间的压电陶瓷管轴向伸长推动两边的压电陶瓷管及滑杆轴向运动，从而实现纳米级步进。

所述的一维纳米台由于采用压电陶瓷棒推动加杠杆机构放大的结构，行程受限。压电陶瓷棒与杠杆、柔性铰链组合的方式，行程无法达到毫米量级，且杠杆放大倍率越大，分辨率越低，稳定性越差。

惯性压电驱动器需要脉冲信号驱动压电陶瓷管瞬时变化，而脉冲信号中包含较多频率，对其他电信号干扰较大。另外，在驱动器竖直向上方向步进时，滑块的重力将严重降低马达的负载能力。

尺蠖压电驱动器使用压电陶瓷管改变对滑杆的正压力，来控制两端压电陶瓷管和滑杆之间的摩擦力大小，而压电陶瓷管提供的压力是短程力，且力梯度较高，这就要求尺蠖压电马达必须有较高的加工精度；温度变化也会影响压电陶瓷管与滑杆之间的压力设置，使其不能正常工作；其控制过程比较繁琐。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种具有毫米行程的二维纳米位移台，以解决现有技术存在的不能兼具纳米分辨率和毫米级行程，负载能力弱，只能在水平及接近水平方向上运动，结构复杂，以及对环境要求高的问题。

本发明的技术方案是：一种具有毫米行程的二维纳米位移台，其特征在于，包括剪切压电陶瓷叠堆、负载台、光滑支撑块、磁力预紧机构及底板，在底板的一侧设有三个呈三角形布置的剪切压电陶瓷叠堆，在三角形的中部设有磁力预紧机构，在剪切压电陶瓷叠堆的顶端设有光滑支撑块，在光滑支撑块的顶设有负载台；该底板与该负载台之间通过磁力预紧机构的磁力相互吸引。

所述的磁力预紧机构由设在该底板或/和该负载台对应处的电磁铁或永磁体组成。

所述的磁力预紧机构通过调节该底板和该负载台对应处的永磁体之间的距离来实现正压力可调，而电磁铁可通过调节电流大小来实现正压力可调，从而保证合适的正压力以产生所需的摩擦力。

所述的纳米位移台通过精密电压控制电路给3个剪切压电陶瓷叠堆提供电压控制信号，该电压控制信号通过对剪切压电陶瓷叠堆电压位移曲线进行拟合后得到，从而实现剪切压电陶瓷叠堆的非线性修正以保证步进时所有剪切压电陶瓷叠堆移动距离的一致，从而实现纳米位移执行器的纳米级步进及毫米级行程。

所述的纳米位移台通过剪切压电陶瓷叠堆进行微调以保证正压力的一致。

所述的纳米位移台通过调整剪切压电陶瓷叠堆的位置以实现纳米位移台的旋转。

本发明的优点是：采用磁力预紧机构，使得各压电陶瓷所受的正压力基本一致，从而使纳米位移台结构简单紧凑、装配简便以及抗干扰能力强；并且磁力预紧机构与负载台之间不产生摩擦力，降低了负载台步进时的阻力，增加了其负载能力。无导轨结构使得位移台具有更多的运动自由度。

附图说明

图1是本发明实施例的总体结构示意图；

图2是图1中下半部（除去负载台）的俯视图；

图3是本发明步进原理示意图；

图4是本发明步进电压控制信号波形图。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明一种具有毫米行程的二维纳米位移台，包括剪切压电陶瓷叠堆3、负载台5、光滑支撑块4、磁力预紧机构2及底板1，在底板1的上面设有三个呈三角形布置的剪切压电陶瓷叠堆3，在三角形的中部设有磁力预紧机构2，在剪切压电陶瓷叠堆3的顶端设有光滑支撑块4，在光滑支撑块4的顶设有负载台5。该底板1与该负载台5之间通过磁力预紧机构2的磁力相互吸引。

所述的磁力预紧机构2由设在该底板1和负载台5对应处的相互吸引的电磁铁或永磁体组成。如果负载台5为磁吸材料，可以省去负载台5上的磁体。

所述的磁力预紧机构2通过调节该底板和该负载台对应处的永磁体之间的距离来实现正压力可调，而电磁铁可通过调节电流大小来实现正压力可调，从而保证合适的正压力以产生所需的摩擦力。

所述的纳米位移台通过精密电压控制电路给3个剪切压电陶瓷叠堆3提供电压控制信号，该电压控制信号通过对剪切压电陶瓷叠堆3电压位移曲线进行拟合后得到，从而实现剪切压电陶瓷叠堆3的非线性修正以保证步进时所有剪切压电陶瓷叠堆3移动距离的一致，从而实现纳米位移执行器的纳米级步进及毫米级行程。

所述的纳米位移台通过剪切压电陶瓷叠堆3进行微调以保证正压力的一致。

所述的纳米位移台通过调整剪切压电陶瓷叠堆3的位置以实现纳米位移台的旋转。

本发明的基本工作原理为：负载置于负载台5上，负载台5下是三个光滑支撑块4和三个剪切压电陶瓷叠堆3，负载台5与光滑支撑块4相接触，光滑支撑块4固定在剪切压电陶瓷叠堆3末端。剪切压电陶瓷叠堆3支撑负载台5并提供直线运动所需的驱动力。负载台5及底板上都有磁力预紧机构2，磁力预紧机构2之间相互吸引，使负载台5与起支撑作用的剪切压电陶瓷叠堆3之间保持大小可调的正压力，该正压力目的是产生适合的最大静摩擦力。驱动本发明纳米位移台进行一次步进的步骤参见图3和图4，图3中的（a）为所有剪切压电陶瓷叠堆3没有施加驱动电压的负载台5和剪切压电陶瓷叠堆3初始状态。具体步进过程为：

1、通过电压放大电路给（b）中位于最右的第一个剪切压电陶瓷叠堆3-1供电（电压V1，如图4所示），此时剪切压电陶瓷叠堆3-1将产生水平方向上的相对滑动，使其在水平方向上产生形变（箭头所示），而此时保持另外两个剪切压电陶瓷叠堆保持静止无形变状态电压稳定，则两个压电陶瓷叠堆产生的静摩擦力保证使得负载台静止保持不动。

2、维持第一个剪切压电陶瓷叠堆电压保持其使其产生形变，保持第三个剪切压电陶瓷叠堆无不产生形变，对第二个压电陶瓷叠堆3-2施加电压V2，使其产生与第一个相同方向相同大小的形变（图3c）。

3、维持第一、第二个剪切压电陶瓷叠堆电压保持形变，对第三个压电陶瓷叠堆3-3施加电压V3，使其产生与第一、第二个相同方向相同大小的形变（图3d）。保持第三个剪切压电陶瓷叠堆无形变，对第三个压电陶瓷叠堆3-3施加电压V3，使其产生与第一、第二个相同方向相同大小的形变。

4、同时撤去三个剪切压电陶瓷叠堆上的电压，使其同时恢复到初始状态，从而带动负载台5实现纳米级步进（在初始状态线A的基础上向左移动一步，参见图3e）。纳米位移台步进示意图如图3所示，三个剪切压电陶瓷叠堆的步进电压控制信号如图4所示。不断重复上述步进步骤，使该纳米位移台连续步进，从而使其行程能够达到毫米级。无导轨结构使得纳米位移台具有更多的运动自由度。