用于双探针原子力显微镜的定位平台的设计及实验验证

发布时间：2022-01-01 18:08

　　针对双探针原子力显微镜的需求,设计了一种提供精确位移的大行程定位平台。采用柔性铰链和压电陶瓷致动器分别作为定位平台的导向机构和驱动机构。在X、Y和Z轴运动方向通过并联机构实现独立位移。对定位平台进行数学建模,分析和计算定位平台的工作刚度和固有频率,并进行了有限元仿真分析。以电容传感器作为位移测量单元构建了定位平台实验装置,并进行了实验验证。实验结果表明:定位平台在X与Y轴方向上拥有110μm的行程,分辨率为5 nm,在Z轴方向上拥有45μm的行程,分辨率为5 nm。 

【文章来源】：计量学报. 2020,41(11)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

机械结构图

本文主要考虑模特中的固有频率和模态振型，以防止定位平台产生共振。图3显示了定位平台的模态分析结果，分别为定位平台的一阶、二阶、四阶共振频率和振型。定位平台在X、Y和Z方向上的模态频率fx、fy和fz分别为105.11 Hz、110.36 Hz和252.97 Hz。有限元分析和理论计算的相对误差分别为4%,5.8%和17%。定位平台沿X方向和Y方向具有相似的结构，故定位平台沿X方向和Y方向具有几乎相同的谐振频率和动态特性。理论分析和仿真结果存在误差的主要原因有:

图4为搭建的定位平台实验装置，采用PID控制来改善压电陶瓷驱动器的动态特性，并进行了初步的测试来验证其性能。输入位移由4个压电陶瓷(PI,P840.1B和PI,P840.2B)提供，其公称位移分别为15μm,30μm，刚度分别为57 N·μm-1,27 N·μm-1。电压增益为10的单通道压电放大器(PI,E-505)可以提供-30 V到+130 V的电压。采用测量精度高、测量速度快和抗干扰能力强的电容传感器(Micro Sense2805)测量目标输出位移和测量可能的耦合位移[15～17]，其检测分辨率为0.43 nm，量程为±100μm。所有信号均采用16位分辨率的数据采集卡(研华，PCI-1706U)记录。图4 定位平台实验装置

【参考文献】：
期刊论文
[1]线面式电容传感器结构设计与传感特性研究[J]. 曾涛,鲁云峰,张钟华,陈乐,许素安.  计量学报. 2019(06)
[2]电容式位移传感器的非线性拟合比较[J]. 张菡,薄涵亮,王帅,杨文龙,傅一帆.  电子技术应用. 2019(09)
[3]压电陶瓷驱动器迟滞非线性建模及逆补偿控制[J]. 刘鑫,李新阳,杜睿.  光电工程. 2019(08)
[4]一种可溯源原子力探针显微镜[J]. 杨文军,胡迟,刘晓军.  计量学报. 2019(02)
[5]用于紫外光学显微镜的二维纳米位移台的设计及实验验证[J]. 常旭,高思田,施玉书,黄鹭,李琪,李东升.  计量学报. 2017(S1)
[6]超精密定位工作台[J]. 吴鹰飞,周兆英.  微细加工技术. 2002(02)

博士论文
[1]用于线宽测量的双探针原子力显微镜对准系统研究[D]. 张华坤.合肥工业大学 2014

硕士论文
[1]压电陶瓷微定位平台迟滞建模及自适应控制方法研究[D]. 张雁南.吉林大学 2019
[2]双探针原子力显微镜测量系统开发[D]. 王龙龙.天津大学 2014



本文编号：3562565