本实用新型涉及一种位移驱动器，特别是涉及一种压电陶瓷纳米分辨位移驱动器。
背景技术：
：近年来，纳米技术有了突飞猛进的发展和广泛应用。在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域，需要十分精确的定位和运动。依靠传统的机械定位方式，定位误差仅为微米量级，而对于上述提到的高
技术领域：
，定位误差要求往往为亚微米甚至是纳米量级，这些高准确度的技术要求极大地促进了微位移驱动器的研究和发展。压电陶瓷微位移器件是近年来发展起来的新型微位移器件，它具有体积小、出力大、分辨率高和频响高的优点，并且不发热、无噪声、易于控制，是理想的微位移定位驱动器件。目前欧洲、美国、日本都有定位精度达几十纳米的产品问世，但价格极其昂贵。我国在该领域起步较晚，微位移定位驱动器产品的精度尚难与发达国家匹敌。随着我国纳米科技的发展，纳米精度精密加工以及测量的设备和相关仪器已经成为关键的研究工具。目前微位移驱动器主要有两种，一种是通过机械方法缩小输出位移，这种方法定位误差仅为微米量级，无法达到纳米量级的定位精度。另一类是利用各种物理原理直接产生微小位移，在这方面目前应用最广泛、研究最多的是压电材料驱动。利用压电材料驱动器可以输出纳米量级的位移，但如何实现纳米量级的定位确是一个十分困难的问题。目前使用的方法有迈克耳逊干涉仪、可调谐法布里一珀罗(F-P)腔和光栅测试系统等方法，这些技术的定位精度很难达到50nm。技术实现要素：针对上述现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种压电陶瓷纳米分辨位移驱动器，实现纳米级别定位精度的位移。本实用新型技术方案如下：一种压电陶瓷纳米分辨位移驱动器，包括固定机架、压电波导、负载平台、光电发射探测模块和电源控制模块，所述压电波导包括压电陶瓷层，所述压电陶瓷层的两侧分别设有顶侧金属膜和底侧金属膜，所述固定机架与顶侧金属膜固定连接，所述负载平台与底侧金属膜固定连接，所述光电发射探测模块包括光发射器、感光成像元件和计算模块，所述光发射器从顶侧金属膜的一侧向压电波导发射聚焦光并确保激发压电波导中的一个超高阶导模，所述感光成像元件用于接收包含衰减全反射吸收黑线的反射光，所述计算模块根据感光成像元件接收的反射光中衰减全反射吸收黑线的移动距离确定压电陶瓷层厚度变化量，所述电源控制模块根据所述压电陶瓷层厚度变化量控制输出通过顶侧金属膜和底侧金属膜为所述压电陶瓷层供电。进一步的，包括外框架，所述固定机架与外框架固定连接，所述负载平台的底面与外框架之间设有相互配合的导槽与导轨。进一步的，为了稳定负载平台在压电陶瓷层驱动下的移动，所述负载平台一端与外框架之间设有弹性伸缩件。优选的，为了保护顶层金属膜，所述顶侧金属膜表面涂覆二氧化硅膜。优选的，所述压电陶瓷层材料为铌镁酸铅压电材料，所述顶侧金属膜和底侧金属膜材料为银膜。优选的，顶侧金属膜的厚度决定了光能的耦合效率，所述顶侧金属膜的厚度为40～50nm，压电陶瓷层要能容纳足够灵敏的超高阶导模，所述压电陶瓷层的厚度为300～500μm，所述光发射器和感光成像元件距离二氧化硅膜表面30～50mm。本实用新型技术方案利用压电陶瓷层的两侧的顶侧金属膜和底侧金属膜作为电极，通过电源控制模块的输出由压电效应而引起压电陶瓷层的厚度变化，从而带动负载平台的移动。同时压电陶瓷层与顶侧金属膜和底侧金属膜构成了双面金属包覆波导，压电陶瓷层为导波层。光发射器发射的聚焦光首先以一小角度射向双面金属包覆波导，发散的反射光由感光成像元件接收。由于聚焦的入射光可确保激发双面金属包覆波导中的一个超高阶导模，因此，发散的反射光中将包含因超高阶导模共振而出现的衰减全反射(ATR)吸收黑线。压电陶瓷层厚度的变化导致衰减全反射吸收黑线在感光成像元件成像位置变化，由衰减全反射吸收黑线即可确定压电陶瓷层厚度变化量。进而将测得的压电陶瓷层厚度变化量作为反馈，由电源控制模块控制输出形成闭环控制，最终控制压电陶瓷层的厚度变化，进而控制负载平台的移动量。本实用新型所提供的技术方案的优点在于：(1)用压电陶瓷层作为双面金属包覆波导的导波层，顶侧金属膜和底侧金属膜既是波导的包覆层，又可作为施加电压的电极，结构简单；(2)以双面金属包覆波导中的超高阶导模作为纳米位移定位的测量信号，具有极高的灵敏度；(3)仪器结构简单，小型、便携、价格低廉、便与推广。附图说明图1为压电陶瓷纳米分辨位移驱动器结构示意图。具体实施方式下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为对本实用新型的限定。请结合图1所示，本实施例所涉及的压电陶瓷纳米分辨位移驱动器包括外框架1、固定机架2、压电波导、负载平台3、光电发射探测模块和电源控制模块4。外框架1由不锈钢制成，主要用于提供整体的支撑，以便于各个部件的定位安装以及压电陶瓷纳米分辨位移驱动器整体的固定。其中压电波导为三层结构包括压电陶瓷层5、顶侧金属膜6和底侧金属膜7。顶侧金属膜6和底侧金属膜7分别设置在压电陶瓷层5的两侧。为了保护顶侧金属膜6，在顶侧金属膜6表面涂覆二氧化硅膜8。固定机架2由有机玻璃制成，其与二氧化硅膜8通过粘结固定连接，然后固定机架2与外框架1固定连接。负载平台3也由有机玻璃制成，负载平台3的一侧与底侧金属膜7通过粘结固定连接，另一侧通过弹簧9与外框架1连接。由于负载平台3是在压电陶瓷层5的驱动下进行移动的，所以为了提供负载平台3的移动导向，并且减少负载平台3与外框架1间的摩擦，在负载平台3与外框架1之间设置了相互配合的导槽10与导轨11。本实施例中，在负载平台3的底面开设了导槽10，而外框架1上设置导轨11，导槽10与导轨11形成滑动配合。光电发射探测模块包括光发射器12、感光成像元件13和计算模块14，电源控制模块4用于向压电陶瓷层5供电。其中光发射器12和感光成像元件13需要与压电波导之间形成可调节并固定的间距及角度，因此光发射器12和感光成像元件13通过角度调整装置例如云台等安装于外框架1。计算模块14和电源控制模块4则与感光成像元件13以及压电波导连接，可选择固定于外框架1或采用单独设置的方式与外框架1分离。光发射器12采用He-Ne激光器，其安装位置使其能从顶侧金属膜6的一侧向压电波导发射聚焦光并确保激发压电波导中的一个超高阶导模。感光成像元件13采用CCD探测器，其安装位置确保能用于接收包含衰减全反射吸收黑线的反射光并进行成像。计算模块14根据感光成像元件13接收的反射光中衰减全反射吸收黑线的移动距离确定压电陶瓷层5厚度变化量。假设入射聚焦光的波长为λ，空气的折射率为n0，二氧化硅膜8的折射率为n1，厚度为h1，顶侧金属膜6和底侧金属膜7的介电系数ε2＝ε4，顶侧金属膜厚度的厚度为h2，底侧金属膜的厚度为h4，压电陶瓷层的折射率为n3，厚度为h3，光发射器12和感光成像元件13到二氧化硅膜8表面距离为D，感光成像元件13接收的反射光中衰减全反射吸收黑线的移动距离为S，则压电陶瓷层5的厚度变化Δh可通过以下计算获得：空气、二氧化硅膜8、顶侧金属膜6、压电陶瓷层5和底侧金属膜7五层结构的反射率公式为：其中，而为自由空间波矢，为真空波长。β＝k0sinθATR为导波传播常数，θATR为匹配角。当压电陶瓷层5厚度变化Δh时，匹配角变化ΔθATR。若光发射器12和感光成像元件13到二氧化硅膜8表面距离为D，则反射光中衰减全反射吸收黑线的移动距离S＝Dsin(ΔθATR)。电源控制模块4采用闭环控制回路进行输出控制，计算模块14获得的压电陶瓷层5厚度变化量为反馈信号，电源控制模块4的输出通过顶侧金属膜6和底侧金属膜7为压电陶瓷层5供电。一个具体实施例中，入射聚焦光的波长为λ＝632.8nm，空气的折射率为n0＝1.0，二氧化硅膜8的折射率为n1＝1.45，厚度为h1＝60nm，顶侧金属膜6和底侧金属膜7为银膜，介电系数ε2＝ε4＝-17+i0.7，顶侧金属膜6厚度的厚度为h2＝44nm，底侧金属膜7的厚度为h4＝200nm，压电陶瓷层5采用铌镁酸铅压电材料，折射率为n3＝1.83，厚度为h3＝400μm，光发射器12和感光成像元件13到二氧化硅膜8表面距离为D＝40mm，选用共振角为θATR＝5.1643°的超高阶导模为探测信号。当压电陶瓷层5两侧的顶侧金属膜6和底侧金属膜7施加合适的电压时，压电陶瓷层5厚度减小1nm，此时共振角将移动到θATR＝5.1589°，角度移动Δθ>0.005°，可知ATR黑线在感光成像元件13上的移动距离s>3μm，这一距离完全可由感光成像元件13所分辨。下面列举了在压电陶瓷层5在厚度为400μm附近进行1nm变化时对应的共振角变化h3(μm)399.999399.998399.997399.996399.995θATR(°)5.15895.15355.14835.14305.1375h3(μm)399.994399.993399.992399.991399.990θATR(°)5.13215.12685.12145.11605.1106当Δh为1nm时，角度移动Δθ>0.005°下面列举了在压电陶瓷层5在厚度为400μm附近进行10nm变化时对应的共振角变化h3(μm)399.990399.980399.970399.960399.950θATR(°)5.11065.05635.00154.94614.8901h3(μm)399.940399.930399.920399.910399.900θATR(°)4.83344.77604.71794.65924.5996当Δh为10nm时，角度移动Δθ>0.05°，通过上述数据Δh为100nm时，Δθ将大于0.5°。当前第1页1 2 3