一種壓電陶瓷管掃描器的設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究.pdf

1、掃描隧道顯微鏡(STM)的問(wèn)世給人們對(duì)原子級(jí)別的微觀領(lǐng)域進(jìn)行觀測(cè)和操作提供了有效可行的工具。在此技術(shù)上產(chǎn)生的原子力顯微鏡(AFM),由于其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于微觀領(lǐng)域的觀測(cè)和操作。但是隨著微/納技術(shù)的不斷發(fā)展,其所涉及的領(lǐng)域也越來(lái)越廣。在一些實(shí)時(shí)性要求很高的領(lǐng)域,如化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的觀察、生命活動(dòng)變化過(guò)程的監(jiān)測(cè)等,它們的變化過(guò)程從開(kāi)始到結(jié)束往往只能持續(xù)數(shù)秒的時(shí)間甚至更短,以至于現(xiàn)有AFM無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。因此,在確?，F(xiàn)有 AFM

2、檢測(cè)范圍及檢測(cè)精度的同時(shí),提高其成像速率是一個(gè)迫切需要解決的重要問(wèn)題。本課題在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下,對(duì)一種高性能壓電掃描器及其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究,為微觀領(lǐng)域的快速定位、觀測(cè)和操作提供一種解決方案。
　　首先,通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)四分壓電陶瓷管結(jié)構(gòu)掃描器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析和研究,提出了一種新型的十二分壓電陶瓷管結(jié)構(gòu)掃描器。該結(jié)構(gòu)類(lèi)型的掃描器融合傳感器和掃描器本身為一體;而且可以采用感應(yīng)電荷作為反饋信號(hào),擺脫了電容傳感器高頻工作時(shí)噪聲干擾較大

3、的困擾,有助于掃描器在結(jié)構(gòu)緊湊的條件下實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制進(jìn)行高速控制和掃描。然后根據(jù)掃描器的結(jié)構(gòu)原理確定了其結(jié)構(gòu)參數(shù),并利用有限元分析軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的掃描器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),保證其諧振頻率和工作范圍等指標(biāo)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。
　　另外,根據(jù)所確定的十二分壓電陶瓷管掃描器的工作原理,進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、激光光路系統(tǒng)和綜合系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。然后根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)和要求,對(duì)所需實(shí)驗(yàn)構(gòu)件和設(shè)備進(jìn)行比較分析和選購(gòu)。并根據(jù)所選構(gòu)件和設(shè)備,利用三維建模

4、軟件進(jìn)行掃描器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)針對(duì)壓電陶瓷的遲滯、蠕變等非線性特性分析介紹了Prandtl-Ishlinskii(p-I)遲滯模型的構(gòu)建方法,并設(shè)計(jì)了適合壓電陶瓷管掃描器高速掃描的控制方案。
　　最后,基于所設(shè)計(jì)的掃描器方案,搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),測(cè)試了掃描器的相關(guān)特性。并根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),構(gòu)建了掃描器 X、Y軸方向的相關(guān)遲滯模型及逆模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明十二分壓電陶瓷管結(jié)構(gòu)掃描器具有良好的定位特性;Prandtl-Ishlins