韓 慧，劉 麗

(1.湖北文理學(xué)院,湖北 襄陽 441053；2.電子科技大學(xué),四川 成都 610054)

0 引 言

微電子工業(yè)作為一個多元化行業(yè),在過去的幾十年里得到了快速的發(fā)展。微操作作為微電子工業(yè)的一項關(guān)鍵技術(shù)[1],在微/納米技術(shù)[2]、精密加工[3]、生物工程[4]、醫(yī)療科學(xué)[5]等領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。

從研究現(xiàn)狀來看,微定位平臺的關(guān)鍵問題包括選取驅(qū)動方式、擴大運動行程、提高固有頻率。目前,微定位平臺常用的驅(qū)動方式有壓電驅(qū)動[6]、靜電驅(qū)動[7]、熱驅(qū)動[8]、形狀記憶合金驅(qū)動[9]、氣動[10]等。相比于其他驅(qū)動方式,壓電驅(qū)動具有反應(yīng)速度快、靈敏度高、輸出力大的優(yōu)點[11]；微定位平臺增加位移放大倍率主要通過位移放大機構(gòu)來完成。常用的放大機構(gòu)有杠桿放大機構(gòu)、橋式放大機構(gòu)和菱形放大機構(gòu)。杠桿放大機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),但放大倍數(shù)受空間大小限制?；谌切畏糯笤淼臉蚴椒糯髾C構(gòu)具有放大倍率高且可以實現(xiàn)正交位移放大?；趬弘婒?qū)動的橋式放大機構(gòu)將壓電陶瓷置于放大機構(gòu)內(nèi)部,可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊。為提高微定位平臺的固有頻率,平面三自由度微定位平臺采用軸對稱結(jié)構(gòu),有效提高了結(jié)構(gòu)的剛度,進而提高了結(jié)構(gòu)的固有頻率。該平面三自由度微定位平臺的的三個自由度主要包括X方向和Y方向的水平運動,以及壓電陶瓷并聯(lián)驅(qū)動時繞θz軸方向的旋轉(zhuǎn)運動。Scire F E等人[12]成功設(shè)計了一種單自由度壓電驅(qū)動的微定位平臺,主要應(yīng)用于電子顯微鏡中,為擴大運動行程,采用二級放大機構(gòu),運動行程可達50 μm。南洋理工大學(xué)的Gao P等人[13]研發(fā)了一種二自由度壓電驅(qū)動的微定位平臺,采用二級放大機構(gòu),實現(xiàn)了45 μm×40 μm的工作空間。Li Y等人[14]制作了一種三自由度壓電驅(qū)動的微定位平臺,運動行程可達 117 μm×117 μm,進一步提高了運動行程。綜上所述,關(guān)于微定位平臺的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果,但不難發(fā)現(xiàn)提高壓電驅(qū)動的微定位平臺的運動行程是必要的。

本文基于三角形放大原理設(shè)計的平面三自由度微定位平臺,有效提高了載物臺的運動行程。設(shè)計的壓電驅(qū)動平面三自由度微定位平臺運動行程為185.8 μm×185.8 μm,具有高大行程、高剛度、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。

1 平面三自由度微定位平臺設(shè)計

平面三自由度微定位平臺的三個自由度分別為X方向和Y方向的水平運動,以及壓電陶瓷并聯(lián)驅(qū)動時繞θz軸方向的旋轉(zhuǎn)運動。該平臺主要由3個橋式放大機構(gòu)、3個固定孔、一個載物臺組成。

3個橋式放大機構(gòu)內(nèi)部安裝3塊壓電陶瓷,3塊壓電陶瓷間采用并聯(lián)方式連接,在壓電陶瓷的驅(qū)動下,橋式放大機構(gòu)側(cè)邊產(chǎn)生的位移分別為x1,x2,x3。當(dāng)橋式放大機構(gòu)側(cè)邊產(chǎn)生的位移分別為x1,x2,x3相同時,可以單獨啟動3塊壓電陶瓷其中的1塊或者同時啟動3塊壓電陶瓷其中的2塊。此時,可以產(chǎn)生二自由度的水平方向運動。當(dāng)橋式放大機構(gòu)側(cè)邊產(chǎn)生的位移分別為x1,x2,x3不同時,載物臺會因橋式放大機構(gòu)輸出位移的不同發(fā)生旋轉(zhuǎn),即繞θz軸方向的旋轉(zhuǎn)運動。

圖1 平面微定位平臺結(jié)構(gòu)

基于偽剛體模型思想,將柔性鉸鏈視為帶扭簧的活動鉸鏈,將連桿視為剛性桿件。取橋式放大機構(gòu)的一條邊進行分析,如圖2所示。

圖2 橋式放大機構(gòu)單邊分析

當(dāng)壓電陶瓷在水平方向產(chǎn)生的輸入位移為Δx時,在豎直方向產(chǎn)生的輸出位移為Δy,桿件位置由AB變?yōu)锳′B′,桿件AB,A′B′,的角位置分別為α,β,設(shè)放大倍數(shù)為Ramp1,可得

Ramp1=Δy/Δx

(1)

其中

Δy=lsinα-lsinβ

(2)

Δx=lcosβ-lcosα

(3)

由式(1)、式(2)和式(3)可得

(4)

由于壓電陶瓷的變化量通常為自身尺寸的0.01%,橋式放大機構(gòu)的四條邊的角度變形量十分微小,因此,式(4)可簡化為

Ramp1=cotα

(5)

當(dāng)同時啟動3塊壓電陶瓷其中的2塊,設(shè)放大倍數(shù)為Ramp2,可得

(6)

2 基于ANSYS軟件的有限元仿真分析

設(shè)計參數(shù)如下平面三自由度微定位平臺選用的材料為7075鋁合金,其彈性模量E=71 GPa,泊松比v= 0.33,屈服強度σ=455 MPa,密度ρ=2 810 kg/m3。

在橋式放大機構(gòu)的輸入端施加30 μm的輸入位移。圖3(a)為平面三自由度微定位平臺在單塊壓電陶瓷驅(qū)動下,微定位平臺對應(yīng)的應(yīng)力云圖,載物臺的運動行程為155.2 μm,對應(yīng)的最大應(yīng)力如圖3(b)所示,為97.6 MPa,小于材料的屈服強度,產(chǎn)品可以安全使用。

圖3 單塊壓電陶瓷驅(qū)動下有限元性能分析

圖4(a)為平面三自由度微定位平臺在兩塊壓電陶瓷驅(qū)動下,微定位平臺對應(yīng)的應(yīng)力云圖,載物臺的運動行程為185.8 μm,對應(yīng)的最大應(yīng)力如圖4(b)所示,為227.8 MPa,小于材料的屈服強度,產(chǎn)品可以安全使用。

圖4 兩塊壓電陶瓷驅(qū)動下有限元性能分析

在ANSYS軟件中定義完材料屬性后,對平面微定位平臺進行正六面體法網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分后,對微定位平臺固定孔施加約束,并對微定位平臺進行模態(tài)分析。取微定位平臺前4階模態(tài)圖,如圖5所示。1 012.5 Hz下的第1階模態(tài)是由單個橋式放大機構(gòu)彎曲變形引起的,1 048.9 Hz下的第2階模態(tài)是由兩個橋式放大機構(gòu)輸入端施加不同的輸入位移引起的,1 324.5Hz下的第3階模態(tài)是由載物臺向Z軸方向運動引起的,1 050.4 Hz下的第4階模態(tài)是由3個橋式放大機構(gòu)繞Z軸旋轉(zhuǎn)引起的。其中第1階模態(tài)和第2階模態(tài)為機構(gòu)運動所需要的振型。從而可以得出,單塊壓電陶瓷驅(qū)動下的微定位平臺的固有頻率為1 012.5 Hz。

圖5 微夾鉗前4階模態(tài)

3 結(jié) 論

本文以擴大運動行程為出發(fā)點,設(shè)計一種大行程、高剛度、結(jié)構(gòu)緊湊的平面三自由度微定位平臺。平臺的驅(qū)動方式采用壓電驅(qū)動,基于幾何關(guān)系得出微定位平臺的運動行程,通過有限元仿真分析得出單塊、兩塊壓電陶瓷驅(qū)動下微定位平臺性能,采用模態(tài)分析得出平臺的固有頻率。本文設(shè)計的平面三自由度微定位平臺為同類產(chǎn)品的研究提供借鑒。