[發(fā)明專利]一種多自由度夾心式微納操作器及其位移輸出控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711039455.4
• 申請(qǐng)日: 2017-10-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107612415A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉英想;王良;陳維山;劉軍考;蘇琪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/04
• 分類號(hào): H02N2/04
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所23109
• 代理人: 宋詩(shī)非

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微納操作器及其控制方法，屬于微納操作技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微納操作技術(shù)是指在微、納米尺度上加工制造出具有特定功能的結(jié)構(gòu)與器件的方法。近年來(lái)，微納操作技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。微納操作技術(shù)的發(fā)展方向是制造具有新穎物理、化學(xué)和生物特征的納米功能器件與微納系統(tǒng)，從而促進(jìn)電子、信息、材料、先進(jìn)制造和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

微納操作器是微納操作技術(shù)中至關(guān)重要的部件之一，它直接決定了微納器件的加工質(zhì)量和微納系統(tǒng)的動(dòng)作精度等性能指標(biāo)。壓電元件由于具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、響應(yīng)速度快、斷電可自鎖和不受電磁干擾等特點(diǎn)，已在微納操作技術(shù)領(lǐng)域中獲得了成功應(yīng)用。

目前普遍存在和研究較為廣泛的微納操作器主要分為壓電管式微納操作器和壓電堆疊式微納操作器：

壓電管式微納操作器主要是通過(guò)在壓電管外側(cè)涂覆多個(gè)電極區(qū)域以形成多個(gè)極化區(qū)，并對(duì)多個(gè)極化區(qū)施加不同的激勵(lì)電信號(hào)以實(shí)現(xiàn)微納操作器在多個(gè)自由度方向上的位移輸出。然而，現(xiàn)有壓電管通常為“細(xì)長(zhǎng)管”狀結(jié)構(gòu)，其軸向尺寸遠(yuǎn)大于徑向尺寸。因此，現(xiàn)有壓電管的諧振頻率較低，進(jìn)而導(dǎo)致壓電管式微納操作器的工作頻率范圍較窄。除此之外，“細(xì)長(zhǎng)管”狀結(jié)構(gòu)的壓電管使得壓電管式微納操作器的輸出力較小，很難滿足大負(fù)載工況下的技術(shù)需求。

壓電堆疊式微納操作器主要是采用疊層式壓電堆疊作為致動(dòng)元件，其通常將多個(gè)壓電堆疊分布于不同位置形成壓電堆疊并聯(lián)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)微納操作器在多個(gè)自由度方向上的位移輸出。然而，這種壓電堆疊并聯(lián)機(jī)構(gòu)在保證微納操作器在多個(gè)自由度方向上的高精度位移輸出的同時(shí)，也帶來(lái)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜和難以進(jìn)一步微型化的問(wèn)題。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是超精密加工、微納電子器件制造和光柵刻劃等先進(jìn)制造領(lǐng)域的飛速發(fā)展，目前主要存在的壓電管式微納操作器和壓電堆疊式微納操作器已經(jīng)不能很好地或無(wú)法滿足上述領(lǐng)域?qū)ξ⒓{操作器提出的寬工作頻率范圍、大負(fù)載和微型化等方面的技術(shù)需求。因此，研制一種新型原理的微納操作器，以使其具有工作頻率范圍寬、承載能力大和結(jié)構(gòu)微型化的技術(shù)特點(diǎn)，是目前微納操作技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，對(duì)促進(jìn)上述先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決現(xiàn)有微納操作器存在的工作頻率范圍窄、輸出力小和難以微型化的問(wèn)題，提出了一種多自由度夾心式微納操作器。

本發(fā)明所述的多自由度夾心式微納操作器包括基座1、m層壓電陶瓷片2和前端蓋3，m為正整數(shù)；

m層壓電陶瓷片2堆疊且徑向固定在基座1與前端蓋3之間；

壓電陶瓷片2沿圓周方向分為若干個(gè)極化分區(qū)2-1，極化分區(qū)2-1的數(shù)量大于或等于3，極化分區(qū)2-1沿著壓電陶瓷片2的軸向極化；

每個(gè)極化分區(qū)2-1均與激勵(lì)電壓源相連。

作為優(yōu)選的是，在基座1上固設(shè)有導(dǎo)柱1-1，導(dǎo)柱1-1的前端貫穿m層壓電陶瓷片2，并與前端蓋3螺紋連接。

作為優(yōu)選的是，前端蓋3為截頂圓錐體。

作為優(yōu)選的是，前端蓋3的底面與壓電陶瓷片2相接，在前端蓋3的頂面上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)足3-1。

作為優(yōu)選的是，壓電陶瓷片2上的極化分區(qū)2-1的面積均相同。

作為優(yōu)選的是，壓電陶瓷片2上的極化分區(qū)2-1的極化方向均相同。

作為優(yōu)選的是，當(dāng)m＞1時(shí)，m層壓電陶瓷片2上的極化分區(qū)2-1的數(shù)量相等或不等。

作為優(yōu)選的是，當(dāng)m層壓電陶瓷片2上的極化分區(qū)2-1的數(shù)量相等時(shí)，m層壓電陶瓷片2上的極化分區(qū)2-1的面積均相同。

作為優(yōu)選的是，堆疊狀態(tài)的m層壓電陶瓷片2上的極化分區(qū)2-1的極化方向均相同。

本發(fā)明所述的多自由度夾心式微納操作器的位移輸出控制方法的直接控制對(duì)象為壓電陶瓷片2，該位移輸出控制方法包括以下步驟：

通過(guò)激勵(lì)電壓源向壓電陶瓷片2的每個(gè)極化分區(qū)2-1的兩端施加正激勵(lì)電壓或負(fù)激勵(lì)電壓，并調(diào)整正激勵(lì)電壓或負(fù)激勵(lì)電壓的幅值，使壓電陶瓷片2在其軸向上整體伸長(zhǎng)或縮短與電壓幅值相應(yīng)的長(zhǎng)度，進(jìn)而調(diào)整前端蓋3所在位置；

通過(guò)激勵(lì)電壓源對(duì)壓電陶瓷片2上的相鄰的n個(gè)極化分區(qū)2-1施加正激勵(lì)電壓，對(duì)其余極化分區(qū)2-1施加負(fù)激勵(lì)電壓，并調(diào)整正激勵(lì)電壓和負(fù)激勵(lì)電壓的幅值，使n個(gè)極化分區(qū)2-1在壓電陶瓷片2的軸向上整體伸長(zhǎng)與正激勵(lì)電壓幅值相應(yīng)的長(zhǎng)度，使其余極化分區(qū)2-1在壓電陶瓷片2的軸向上整體縮短與負(fù)激勵(lì)電壓幅值相應(yīng)的長(zhǎng)度，進(jìn)而使前端蓋3向其余極化分區(qū)2-1所在方位傾斜；