双机理多模态纳米直线运动电机：压电-电磁双机理直线纳米驱动领域的新进展

来源：两江科技评论

导读

近日，《Science》合作期刊《Research》在线发表了北京大学工学院董蜀湘课题组在压电-电磁双机理直线纳米驱动领域研究的最新进展，文章题目为“A Piezoelectric and Electromagnetic Dual Mechanism Multimodal Linear Actuator for Generating Macro- and Nanomotion”。课题组成员高翔宇博士（北京大学工学院2019届博士毕业生，现为西安交通大学讲师）是该成果的第一作者，董蜀湘教授是论文通讯作者。研究获得了国家自然科学基金委（51772005，51132001）、航天十二院（北京航天芯智汇物联科技有限公司）和磁电功能材料与器件北京市重点实验室的资助。

研究背景

超精密定位技术是精密制造、精密测量和精密驱动中的核心关键技术之一，在现代尖端工业生产和科学研究占有极其重要的地位，左右着各领域高、精、尖技术的发展。欧美等发达国家在微电子技术和高技术等方面的领先地位得益于其在超精密定位和测试技术方面的发展水平。尤其是在半导体芯片加工领域，光刻机作为半导体加工中最重要的芯片加工核心设备，其中大多数运动部件以及光学部件都需要执行超精密纳米驱动。目前国际上最先进的芯片线宽光刻加工可达7 nm，但中国目前水平与国外存在数倍以上的差距，成为限制半导体产业的发展的卡脖子技术。如何实现大行程、高运动速度、高加速度，同时也具有纳米分辨率能力，已成为当前精密机械运动系统、精密伺服驱动器与电机领域一个亟待解决的问题。

常见的精密定位直线电机有压电超声电机、压电步进电机，和电磁电机等，但是自身都存在局限性。压电超声电机具有较高的运动速度和定位分辨率，但它的高频摩擦损耗限制了它在长时间连续工作的精密应用场合；压电步进电机具有最高的运动分辨率，但运动速度缓慢，不适合高速、大行程精密运动和定位；而传统的电磁直线电机也存在以下问题：1）响应速度慢，2）不能断电自锁（断电后自由滑行），3）位移分辨率相对较低，很难实现纳米级的精密运动与控制。

创新研究

为了解决这一难题，北京大学工学院董蜀湘课题组提出压电-电磁双机理解决方案，并发明了双机理多模态纳米直线运动电机（Dual Mechanism Multimodal Linear Actuator，简称DMMLA），其结构和驱动机理见图1。

图1  发明的压电-电磁双机理直线纳米运动电机结构及驱动原理图

该发明通过共动子与共定子的设计把电磁和压电双机理结合在一起，再利用电磁机理产生宏观快速运动、压电步进机理产生微观低速运动、压电伺服实现纳观运动定位的三种运动模态，实现宏-微-纳全尺度运动精密定位。这种全新的双机理运动系统设计思路，可望有效克服传统各种单一机理马达或电机存在的问题，特别是在解决快速运动、不受局域限制的纳米定位精度的矛盾方面，具有独特优势，目前已申报中国发明专利。样机实测结果显示在电磁宏观运动时最大运行速度51.2 mm/s，压电步进微观运动时速度在0~135 μm/s，在压电伺服纳观运动时最小位移分辨率可达2 nm（开环控制），测试结果见图2，其中图2（a）为电磁宏观运动，最大运行速度51.2 mm/s；图2（b）为压电步进微观运动；图2（c）为 压电伺服纳观运动，最小位移分辨率2 nm。

图2  压电-电磁双机理纳米直线运动平台性能测试结果

相比传统单机理电磁运动平台或压电马达，在运动位移分辨率、运动速度等方面都有突出优势。提出的双机理纳米直线驱动设计方案为下一代超精密运动平台的发展提供了新思路。