科研新聞

北京大學工學院董蜀湘課題組在壓電-電磁雙機理直線納米驅動領域取得重要進展

2019-12-15

近日,Science合作期刊(Science Partner Journal)《Research》在線發表了北京大學工學院董蜀湘課題組在壓電-電磁雙機理直線納米驅動領域研究的最新進展,文章題目為“A Piezoelectric and Electromagnetic Dual Mechanism Multimodal Linear Actuator for Generating Macro- and Nanomotion”,文章鏈接為:https://spj.sciencemag.org/research/2019/8232097/。

超精密定位技術是精密制造、精密測量和精密驅動中的核心關鍵技術之一,在現代尖端工業生產和科學研究占有極其重要的地位,左右著各領域高、精、尖技術的發展。歐美等先進國家在微電子技術和高技術等方面的領先地位得益于其在超精密定位和測試技術方面的發展水平。尤其是在半導體芯片加工領域,光刻機作為半導體加工中最重要的芯片加工核心設備,其中大多數運動部件以及光學部件都需要執行超精密納米驅動。目前國際上最先進的芯片線寬光刻加工可達7 nm,但我國目前水平與國外存在數倍以上的差距,成為限制半導體產業的發展的卡脖子技術。如何實現大行程、高運動速度、高加速度,同時也具有納米分辨率能力,已成為當前精密機械運動系統、精密伺服驅動器與電機領域一個亟待解決的問題。常見的精密定位直線電機有壓電超聲電機、壓電步進電機,和電磁電機等,但是自身都存在局限。壓電超聲電機具有較高的運動速度和定位分辨率,但它的高頻摩擦損耗限制了它在長時間連續工作的精密應用場合;壓電步進電機具有最高的運動分辨率,但運動速度緩慢,不適合高速、大行程精密運動和定位;而傳統的電磁直線電機也存在以下問題:(1)響應速度慢,(2)不能斷電自鎖(斷電后自由滑行),(3)位移分辨率相對較低,很難實現納米級的精密運動與控制。 


圖1. 發明的壓電-電磁雙機理直線納米運動電機結構及驅動原理圖

為了解決這一難題,北京大學工學院董蜀湘課題組提出壓電-電磁雙機理解決方案,并發明了雙機理多模態納米直線運動電機(Dual Mechanism Multimodal Linear Actuator,簡稱DMMLA),其結構和驅動機理見圖1。該發明通過共動子與共定子的設計把電磁和壓電雙機理結合在一起,再利用電磁機理產生宏觀快速運動、壓電步進機理產生微觀低速運動、壓電伺服實現納觀運動定位的三種運動模態,實現宏-微-納全尺度運動精密定位。這種全新的雙機理運動系統設計思路,可望有效克服傳統各種單一機理馬達或電機存在的問題,特別是在解決快速運動、不受局域限制的納米定位精度的矛盾方面,具有獨特優勢,目前已申報中國發明專利。樣機實測結果顯示在電磁宏觀運動時最大運行速度51.2 mm/s,壓電步進微觀運動時速度在0~135 μm/s,在壓電伺服納觀運動時最小位移分辨率可達2 nm(開環控制),測試結果見圖2。相比傳統單機理電磁運動平臺或壓電馬達,在運動位移分辨率、運動速度等方面都有突出優勢。提出的雙機理納米直線驅動設計方案為下一代超精密運動平臺的發展提供了新思路。


圖2. 壓電-電磁雙機理納米直線運動平臺性能測試結果圖:(a)電磁宏觀運動,最大運行速度51.2 mm/s;(b)壓電步進微觀運動;(c)壓電伺服納觀運動,最小位移分辨率2 nm。

課題組成員高翔宇博士(北京大學工學院2019屆博士畢業生,現為西安交通大學講師)是該成果的第一作者,董蜀湘教授是論文唯一通訊作者。研究獲得了國家自然科學基金委(51772005,51132001)、航天十二院(北京航天芯智匯物聯科技有限公司)和磁電功能材料與器件北京市重點實驗室的資助。

 
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