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微位移技术
摘要:微位移技术是实现超精密加工的重要途径,据此介绍了当前微位移技术研究的背景和意义,并对微位移系统做了简单介绍。参考有关文献着重的对压电元件和电致伸缩微位移机构进行解读。围绕压电驱动器的几个弊端,介绍了解决的方法以及控制系统在其中的作用。
一、微位移技术的研究背景和意义
高精度和高分辨率的精密微位移系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位。它是直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节。同时它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。从七十年代后期起,微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展,随着集成度的提高,要求电路中的各种元件微型化,使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件,以形成功能复杂和完备的电路。随着科学技术的发展,更多的其他领域也越来越迫切需要精密的微动系统,例如,生物、医学、光纤对接、微细加工、微型机器人装配等。微位移技术是现代工业基础的重要组成部分,它几乎左右着上述各领域的发展。
目前发达国家都在纳米技术的研究上投入了大量的资金和人力。而我国在这方面的研究还比较落后,精密、超精密加工水平,大规模集成电路的生产水平远远落后于美日等发达国家。因此,开展精密微位移系统的研究有利于缩小我们与先进国家同行业的差距,促进我国精密仪器仪表、精密超精密加工水平的提高,有利于推动我国大规模集成电路制造技术的发展,促进我国纳米技术方面的研究。
二、微位移系统介绍
微位移系统一般有微位移机构、检测装置、控制系统三部分组成。检测装置和控制系统是为了让微位移机构达到更高的精度。也就是当微位移机构达不到预想的精度时,需要检测装置和控制装置不断的纠正和反馈,使得微位移机构能够更精确的执行,三者关系如下。
微位移机构
检测装置

控制系统
微位移机构:指行程小,精度高(亚微米、纳米级)及灵敏度高的机构,它是微位移技术中的关键部件之一,也是一种机、电、磁一体化的组合件。它既可作为微进给和微调节部件,也可作为工艺系统动、静误差补偿的关键部件。
检测装置:用传感器按一定规律将微位移机构的位移输出转换成电量输出。
控制系统:对动态性能掌控;补偿和修正材质和机理的缺陷;反馈调节驱动器的非线性等不良特性等等。它的开发与研究对微位移技术的应用和推广至关重要。
微位移技术在精密仪器中主要用于提高整机的精度,因此随着科学技术的发展,精密仪器的精度越来越高,微位移技术应用越来越广。根据目前的应用范围,大致可分为四个方面:精度补偿、微进给、微调、微执行机构。
三、微位移机构—压电元件与电致伸缩式微位移机构
1、逆压电效应和电致伸缩效应
常见的微位移机构:
(1)直线电机式微位移机构
(2)机械传动式微位移机构
(3)扭转摩擦传动式微位移机构
(4)弹性变形传动式微位移机构
(5)压电元件与电致伸缩式微位移机构
(6)热变形式微位移机构
(7)磁致伸缩式微位移机构
压电、电致伸缩器件是近年来发展起来的新型微位移器件,也是目前应用最为广泛的技术。使用压电或电致伸缩器件驱动,不仅控制简单(只需控制外加电压),而且可以很容易实现亚微米甚至是毫微米级的精度,同时不产生噪声和发热,可适于各种介质环境工作,是精密机械中理想的微位移机构。已在航空、宇航、微电子工业部门