微纳米定位技术_v3.ppt

1微细制造微细制造朱利民 主lm@，3420654521. 纳米定位系统概述2. 压电驱动柔性铰链微位移平台3. 微位移平台的控制方法4. 纳米定位技术的应用纳米定位系统31. 纳米定位系统41.1微纳米制造装备q 多维运动系统多轴联动、高速、高加速度、大载荷、高定 位精度、高同步精度、真空环境、……q 光学检测系统双目显微视觉对准、光栅相位对准、基于 CCD的预定位、……q 工艺过程控制系统在极短的时间内精确控制工作区域内的温度 、功率、压力和流量等工艺过程参数51.2 微纳米定位平台的组成612-15G高加速度12- 15G高速度0.8~1 m/s2-3G1.5G驱动形式导向机构球滚 动导轨柱滚动 导轨气浮 导轨载荷大小行程大小直线 电机DD马达1.5 ~3kg40kg1~2kg50~100 mm300mm应用领域微电子制造装备洁净环境(1~10万)等级真空环境（10-6~10-9托）热场\气流场\静电场\磁场精密操纵作业环境多物理场及其耦合直线 电机高精密定 位系统7u 传统的旋转电机与丝杠、减速器、轴承等组合的驱动传 动结构，引入摩擦、间隙、机械弹性变形等问题，无法 满足纳米精度要求。

u 应用于纳米级精密定位领域的执行器主要有：1）洛伦茨电机：直线电机、平面电机、音圈电机2）固态执行器：压电执行器、磁致伸缩执行器、…1.2 用于纳米定位的执行器种类8ü 直线电机直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而 不需要任何中间转换机构的传动装置它可以看成是一 台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成 用直线电机直接驱动后加速度可以达到2.5~6g存在 齿槽效应和边缘效应所造成的力矩纹波，给控制带来了 一定困难1）洛伦茨电机直线电机直线电机工作原理9ü 音圈电机（Voice Coil Motor）音圈电机是一种特殊形式的直接驱动电机. 具有结构简单、 体积小、高速、高加速、响应快等特性. 其工作原理是, 通电 线圈(导体) 放在磁场内就会产生力, 力的大小与施加圈上 的电流成比例. 基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直 线或者圆弧. 音圈电机一般可以达到500-1000Hz的运动频率，甚至更高 其控制位置精度最高到几十个纳米这样的精度要求采用直线 音圈电机直接驱动后加速度可高达10g以上但由于没有中间 减速装置，因此对负载变化很敏感此外，支撑导轨非线性摩 擦也给定位系统的控制带来困难。

圆柱形直线音圈电机摆角式音圈电机矩形直线音圈电机10ü 超声波直线超声波电动机是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动 器由于激振元件为压电陶瓷，所以也称为压电马达 具有低速大力矩输出、功率密度高、起停控制性好、精 确定位、、噪音小等优点采用超声波直线电机直接驱动有效提高了重复定位精度 ，但平台的速度和加速度不高超 声 波 电 机11122）固态执行器ü 压电陶瓷执行器当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些对应面上产生异 号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生电荷的现象称为正 压电效应当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变， 这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应压电陶瓷是一类能产生逆压电效应的压电晶体压电陶瓷执行器具 有体积小、位移分辨率高（亚纳米级）、响应速度快（几十微秒） 、输出力大、换能效率高、静态不发热等优点但压电陶瓷执行器 的行程最大一般只有数百微米应用：压电陶瓷执行器常用于超精密纳米定位机构中压电陶瓷 执行器13ü 磁致伸缩执行器某些磁性体的外部一旦加上磁场则磁性体的外形尺寸会发 生变化，利用这种现象制作的驱动器称为磁致伸缩驱动器 精度可达纳米级，响应速度快(微秒级)，输出力大，工作电 压低(几伏至几十伏)，设计相对简单。

但为了消除线圈发热引 起的热变形因素的影响，必须专门设计恒 温冷却系统，给其 应用带来了不利因素磁致伸缩驱动器原理图磁致伸缩驱动器14磁致伸缩执行器与压电陶瓷执行器比较 推力：磁致伸缩执行器>压电陶瓷执行器 最大行程：磁致伸缩执行器>压电陶瓷执行器 位移分辨率：磁致伸缩执行器（纳米级）磁浮平台（mm级）>柔性铰 链导向平台（um级） n 定位精度：气浮平台（um级）>磁浮平台（nm级）>柔 性铰链导向平台（nm级） n 负载： n 速度：302. 压电驱动柔性铰 链定位平台31压电驱动柔性铰链定位平台，以压电陶瓷作 为驱动器，以柔性铰链机构作为导向机构，多采 用电容式传感器作为微位移传感器2.1 压电驱动柔性铰链定位平台简介32u 按照运动自由度，可以分为一维、二维、三维 等微定位平台一维X平动微动台二维XY平动微动台50um,2.2kHz15um X 15um,8.9kHz X 8.9kHz33三维XYZ平动微动台6.5um X 6.6um X 4.2um, 8.8kHz X 8.9kHz X 48.4kHz三维XYθZ微动台 238um X 229um X 0.23°, 98.24Hz X 98.34Hz X 88.24Hz34u按照XY轴连接方式分类在平动型微动台中，根据X、Y轴连接方式的不同可以 分为串联型微位移机构与并联型微定位平台串联型微动台并联型微动台35u按照微位移执行机构的刚度分类通常由于微位移执行机构的谐振频率与刚度成正比， 而最大行程与刚度成反比，因此微位移机构可以分为大行 程微位移机构和高带宽（小行程）微位移机构。

大行程微动台117um X 117um, 110Hz X 110Hz高带宽微动台10um X 10um, 1.5kHz X 29Hz36u常用压电陶瓷驱动器的类型薄板型驱动器（Piezoelectric plate actuator）管状驱动器 （Piezoelectric tube actuator）堆叠式驱动器（Piezoelectric stack actuator）双晶片型驱动器（Piezoelectrci bimorph actuator）……2.2 压电陶瓷驱动器堆叠式压电 陶瓷驱动器37383940PI公司压电陶瓷产品 P-TECH公司压电陶瓷产品41PIEZOMAX公司压电陶瓷产品 JENA公司压电陶瓷产品42u 压电陶瓷驱动器安装压电陶瓷驱动器一般由压电陶瓷片粘连或者熔合在一起， 因此，对于拉力、拉应力及侧向力、弯矩等十分敏感， 这些受力易引起压电陶瓷失效43u压电陶瓷驱动器的选型 1）确定微动平台的设计指标，如行程，刚度，谐振频率等 2）根据行程、刚度指标选择压电陶瓷类型 3）确定压电陶瓷具体型号 Example1：微动平台要求达到40um的大行程，对于刚度 、谐振频率无明确要求。

分析：由于对于刚度及谐振频率无明确要求，可先根据行程 选择压电陶瓷40um行程为中等行程，因此选择具有一 般刚度特性的堆叠式压电陶瓷考虑到微动台最终行程 较压电陶瓷最大行程会有损失，选择了 PI 840.3型号压 电陶瓷其名义最大位移45um，刚度为19N/um，最 大驱动力为1000N44Example2：微动平台要求达到10um的大行程，谐振频率 要求10kHz以上 分析：由于微动平台的谐振频率较高，因此需要选择具有高 刚度特性的堆叠式压电陶瓷根据行程要求，考虑到压电陶 瓷最大行程在微动台上的损失，选择Noliac NAC 2021- H12型号压电陶瓷其名义最大位移为14.7um，刚度为 140N/um, 最大出力2060N45u常用电容传感器类型 ü 两片式电容传感器 ü 单极探针式电容传感器 2.3 电容传感器PI：D-015, D-050, D-100 ultra-high-resolution capacitive position sensors uMeasuring Range to 1000 µm uResolution 混合柔性铰链>凹口柔性铰链 谐振频率：直角平行板铰链>混合柔性铰链>凹口柔性铰链581）铰链布局2.4.3 微位移机构设计考虑因素当铰链只分布在末端执行器的一侧时（a所示），微位移机构 在运动过程中会产生侧向误差。

c结构通过铰链双平行结构减小了 误差，但仍不能消除设计过程中，a，c需配合其他结构来减小 这种误差b, d结构消除了侧向误差，但d结构的刚度较b结构减小了一半 最基本的 铰链结构 布局59上图所示微位移机构对于压电陶瓷驱动的部分采用了大刚度的 直梁结构，可以保证末端执行器的直线运动，从而最大程度减小了 侧向误差6061622）放大机构在微位移机构中，当需要达到比压电陶瓷最大行程 还大的位移时，可以借助于放大机构来实现 ü 杠杆放大机构放大倍数注：一般实际的放大倍数会比理 论值偏小原因是在变形过程中 杠杆不是绝对的刚体，发生了轻 微变形，将能量以变形能形式贮 存在杠杆中63ü 杠杆放大机构PZT最大行程：15um 微动台单方向最大行程： 25um64ü 桥式放大机构放大倍数65ü 桥式放大机构PZT最大行程：38um 微动台单方向最大行程：119um663. 微纳米定位系统的控制方法67磁滞(hysteresis)u磁滞是压电陶瓷驱动 器的固有非线性现象 ，具有复杂的多值映 射、非局部记忆性等 非线性特性 u一般情况下，其正向 曲线和反向曲线的磁 滞误差可以高达 15%3.1 纳米定位的限制因素 68振动(vibration)u 当驱动信号的频率接近 于压电扫描器本身的固有 频率时，会引起共振现象 ，使得扫描器的运动轨迹 发生扭曲。

69 交叉耦合(cross-coupling)u不同轴之间的相互作用70蠕变(creep)u一般发生在扫描速 度较慢的情况下 u可以通过明确的数 学模型描述，也可 以通过常规的PID 反馈来消除713.2 纳米定位控制方法纳米定位控制器一般有如下三种结构： u前馈控制（feedforward） u反馈控制（feedback） u混合控制（feedforward+feedback）72前馈控制u 前馈控制的主要作用是改善跟踪性能，一般有 两种方式： ü 逆磁滞补偿——补偿磁滞非线性，线性化模型ü 基于模型的前馈——补偿振动特性，提高跟踪带宽73 ü 逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation) u定义：通过建立磁滞逆模型，根据期望轨迹，计 算出控制输入，补偿磁滞非线性74 逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation) 逆磁滞补偿步骤： 方法一： ① 建立磁滞模型 ② 磁滞模型的参数辨识 ③ 求解磁滞逆模型 方法二： ① 直接建立磁滞逆模型 ② 磁滞逆模型的参数辨识重点： • 磁滞模型的选择； • 模型参数的辨识75 逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation) 磁滞模型分类：76 逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation)模型参数的辨识： u基于导数的方法：最速下降法、牛顿法…… u直接搜索的方法：单纯形法、信赖域法…… u智能算法：遗传算法、进化算法、蚁群算法、 粒子 群算法、神经网络算法……77 逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation)u应用：压电驱动 的微操作器的磁 滞补偿78 逆磁滞补偿(Inverse Hysteresis Compensation)u应用：AFM的磁滞补偿79 ü 基于模型的前馈(Model-Based Feedforward)前馈输入的求解方法 udc-Gain Inverse： uInverting Periodic Trajectories：uExact Inverse：uOptimal Inverse：80u应用：轨迹跟踪基于模型的前馈(Model-Based Feedforward)81u应用：STM扫描基于模型的前馈。