一種基於剪切壓電疊堆的微型納米馬達的製作方法

2023-09-15 22:59:20 2

本發明屬於壓電定位器技術領域，涉及一種微驅動系統，具體涉及一種基於剪切壓電疊堆的微型納米馬達。

背景技術：

納米技術是用單個原子、分子製造物質的科學技術，研究結構尺寸在0.1至100納米範圍內材料的性質和應用。隨著納米科學技術的發展，又引發了一系列新的科學技術，如納米物理學、納米生物學、納米化學、納米電子學、納米加工技術和納米計量學等，而納米馬達正是納米科技研究中用於納米定位和納米測量的新型微驅動系統。

納米馬達是一種能夠同時實現納米級定位精度和釐米級行程的壓電定位器，它主要依靠壓電形變效應的累加效果來產生移動，而將壓電陶瓷片以某種疊裝方式製成剪切壓電疊堆，不僅保持了壓電陶瓷片原有的特性和優點，而且其位移量和輸出力都較單個壓電陶瓷片有較大提高。由於納米馬達具有結構簡單、設計靈活、驅動力大等優點而被廣泛應用於納米技術、微機械和微系統、通訊傳感技術、半導體技術、光電子技術、電子掃描技術、微生物技術和航空航天等領域，特別是在極低溫和超強磁場等極端條件下作為納米科學研究中的理想微調定位裝置。

公開號為cn106546770a、名稱為「一種基於慣性壓電馬達的掃描隧道顯微鏡」的發明發明公開的基於慣性壓電馬達的掃描隧道顯微鏡，包括一個壓電掃描管，t型絕緣導軌，四個氮化矽圓珠，金屬彈片，滑杆，鏡體和探針。其中，四個氮化矽圓珠和金屬彈片粘接在絕緣導軌之上，通過擠壓方式固定其內的滑杆。絕緣導軌粘接固定於壓電掃描管一端，壓電掃描管的另一端粘接固定於顯微鏡鏡體上。基於滑杆的慣性，給壓電掃描管的四個外電極施加一路脈衝電壓信號即可實現滑杆的納米級步進。步進完成後，給壓電掃描管四個外電極施加兩路頻率不同的推挽電壓信號即可實現樣品表面的xy方向掃描，壓電掃描管的內電極用於掃描反饋控制。該發明中的馬達的結構中採用一個空心圓柱形的絕緣導軌，但是考慮到將圓柱形的導軌粘結於呈平面的剪切壓電疊堆上比較困難且結構剛性不強，同時該發明是在導軌內部手工粘結四個氮化矽圓球來支撐滑杆並對滑杆步進起到一定導向作用，而操作者的手工粘結並不能保證四個氮化矽圓球以每兩個為一組完全落座於一條直線上，且誤差越大對馬達的步進造成的影響也越大。

現就目前應用較為廣泛的幾款馬達結構進行比較：

(1)pan型壓電步進馬達：使用6組剪切剪切壓電疊堆相互擠壓固定中心的滑杆，通過控制器和高壓放大器輸出6路高壓脈衝信號驅動剪切剪切壓電疊堆交替滑動實現步進，步進完成後通過置於滑杆頂部的壓電掃描管進行掃描。其製作較為複雜且工作不穩定，同時多路高壓控制器的購買價格昂貴。

(2)橫向慣性馬達：由壓電陶瓷和一個橫向粘結於其上的導軌組成，通過給壓電片緩慢施加電壓使其產生形變來橫向推動導軌前移實現馬達步進。該馬達的滑塊與導軌間作用力靠重力來維持，對外界振動敏感，從而抗幹擾能力弱，且安裝方向單一，導軌不能豎直或傾斜放置。

(3)koala型壓電馬達：使用兩個壓電掃描管串聯，利用固定於壓電掃描管頂部、中部和底部的三組彈簧擠壓固定置於中心的滑杆，然後通過脈衝電壓信號控制兩個壓電掃描管的有序伸縮，實現探針-樣品的逼近，步進完成後，利用第三根壓電掃描管進行掃描，而且對三組彈簧的加工和組裝精度要求非常高，結構穩定性不高。

技術實現要素：

本發明目的是在上述現有技術的馬達的基礎上，在不增加壓電馬達結構複雜度的同時降低裝配難度、增強結構剛度和提高步進精度。為此本發明提供了一種新型的由兩組剪切壓電疊堆並行推進的慣性納米步進馬達，該馬達製作簡單且材料易於獲取，僅需兩組剪切壓電疊堆、一個剛性導向槽和一個鈹銅彈簧片，同時該馬達的控制信號也非常簡單，僅需一路鋸齒波電壓驅動信號即可控制滑杆的前後步進，具有納米級定位精度和釐米級的調節範圍，此外，本發明具有較大的驅動力，非常適合作為極端條件下的掃描探針顯微鏡和精密光學系統的微調定位裝置使用。

為實現上述技術目的，本發明採取的技術方案為一種基於剪切壓電疊堆的微型納米馬達，包括基座、兩個剪切壓電疊堆、一個剛性導向槽、一個可調柔性傳力塊和滑杆，所述兩個剪切壓電疊堆正負極分別短接，並於其上施加電壓驅動信號，所述兩個剪切壓電疊堆按照伸縮方向平行固定於基座上，所述剛性導向槽和可調柔性傳力塊分別粘結於兩個剪切壓電疊堆自由端的相對面，利用剛性導向槽凹槽的兩條稜和可調柔性傳力塊將滑杆通過擠壓方式固定於兩個剪切壓電疊堆之間，該擠壓壓力滿足：傳力塊與滑杆間的最大靜摩擦力略大於滑杆本身重力。

進一步，上述剛性導向槽可以由任何表面光滑且易加工的材料加工而成，所述可調柔性傳力塊為鈹銅彈簧片。

進一步，上述凹槽為豎直開設於剛性導向槽的正中間，寬度略小於滑杆的直徑。

進一步，上述電壓驅動信號優選為鋸齒波信號。

相較於現有技術，本發明的有益效果體現在：

1.結構剛性強且步進精度高：利用長方體形狀的導向槽與柔性傳力塊共同擠壓固定中心滑杆，使得壓電馬達具有更好的剛性和步進精度；

2.結構簡單緊湊易加工：長方體形狀的導向槽和柔性傳力塊結構簡單易加工，且導向槽與方形的剪切壓電疊堆組裝更加簡單貼合；

3.電壓驅動信號少：僅需一路鋸齒波電壓驅動信號即可控制馬達的步進行走；

4.驅動力和驅動行程大：本發明利用滑杆的慣性進行工作，驅動能力和驅動行程在理論上僅取決於滑杆質量和長度。

附圖說明

圖1本發明的結構安裝示意圖；

圖2本發明的俯視圖；

圖3本發明的驅動信號示意圖；

圖4本發明的向上步進示意圖。

圖中：基座1；剪切壓電疊堆2；剛性導向槽3；鈹銅彈簧片4；滑杆5。

具體實施方式

現結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。

基於現有技術中的馬達所存在的種種弊端，本發明對已有的馬達結構進行了相應改進。首先將圓柱形的絕緣導軌換成了長方體結構的導向槽，因為這種導向槽的設計與剪切壓電疊堆更加貼合，可以提高結構剛性且大大降低裝配難度。其次在長方體導向槽自由端的正中間豎直開設有一條寬度略小於滑杆直徑的凹槽，通過該凹槽的兩條稜支撐滑杆來代替先前結構中的四個氮化矽圓球，這樣既提高了結構的精度同時也降低了傳力塊與滑杆間的摩擦力。

如圖1所示，本發明所述一種基於剪切壓電疊堆的微型納米馬達，包括基座1，兩個剪切壓電疊堆2，傳力塊(一個剛性導向槽3和一個可調柔性傳力塊4)和滑杆5。其中，所述兩個剪切壓電疊堆2按照伸縮方向平行固定於基座1上，所述剛性導向槽3和可調柔性傳力塊4分別粘結於兩個剪切壓電疊堆2自由端的相對面，利用凹槽的兩條稜和可調柔性傳力塊4將滑杆5通過擠壓方式固定於兩個剪切壓電疊堆2的內部，其擠壓壓力滿足：傳力塊與滑杆5間的最大靜摩擦力略大於滑杆5本身的重力。

如圖1所示，所述剛性導向槽3可以由任何表面光滑且易加工的材料加工而成，所述柔性傳力塊4為鈹銅彈簧片。

如圖2所示，所述剛性導向槽3的正中間豎直開設有一條寬度略小於滑杆5直徑的凹槽。

如圖3所示，所述兩個剪切壓電疊堆2正負極分別短接，並於其上施加一路鋸齒波電壓驅動信號。

如圖4所示，本發明所述一種基於剪切壓電疊堆的微型納米馬達的工作過程如下：

t0-t1時段，在兩組剪切壓電疊堆2的電極上施加一路緩慢增長的電壓信號，根據壓電陶瓷片的壓電效應，兩組剪切壓電疊堆2會緩慢伸長，在靜摩擦力的作用下，固定於剪切壓電疊堆2自由端的剛性導向槽3和鈹銅彈簧片4將帶動滑杆5向上產生一定位移；

t1時刻，將施加於兩組剪切壓電疊堆2上的電壓信號突然撤除，兩組剪切壓電疊堆2將帶動剛性導向槽3和鈹銅彈簧片4瞬間收縮至其初始狀態，而由於滑杆5自身的慣性作用，滑杆5將相對於兩傳力塊產生相對滑動，從而實現一次步進過程。

如此循環往復即可實現馬達向上的連續步進，同理，施加反向鋸齒波電壓驅動信號即可控制馬達向下連續步進。