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微位移技术 摘要：微位移技术是实现超精密加工的重要途径，据此介绍了当前微位移技术研究的背景和意义，并对微位移系统做了简单介绍。参考有关文献着重的对压电元件和电致伸缩微位移机构进行解读。围绕压电驱动器的几个弊端，介绍了解决的方法以及控制系统在其中的作用。 一、微位移技术的研究背景和意义 高精度和高分辨率的精密微位移系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位。它是直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节。同时它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。从七十年代后期起，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展，随着集成度的提高，要求电路中的各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。随着科学技术的发展，更多的其他领域也越来越迫切需要精密的微动系统，例如，生物、医学、光纤对接、微细加工、微型机器人装配等。微位移技术是现代工业基础的重要组成部分，它几乎左右着上述各领域的发展。 目前发达国家都在纳米技术的研究上投入了大量的资金和人力。而我国在这方面的研究还比较落后，精密、超精密加工水平，大规模集成电路的生产水平远远落后于美日等发达国家。因此，开展精密微位移系统的研究有利于缩小我们与先进国家同行业的差距，促进我国精密仪器仪表、精密超精密加工水平的提高，有利于推动我国大规模集成电路制造技术的发展，促进我国纳米技术方面的研究。 二、微位移系统介绍 微位移系统一般有微位移机构、检测装置、控制系统三部分组成。检测装置和控制系统是为了让微位移机构达到更高的精度。也就是当微位移机构达不到预想的精度时，需要检测装置和控制装置不断的纠正和反馈，使得微位移机构能够更精确的执行，三者关系如下。 微位移机构：指行程小，精度高(亚微米、纳米级)及灵敏度高的机构，它是微位移技术中的关键部件之一，也是一种机、电、磁一体化的组合件。它既可作为微进给和微调节部件，也可作为工艺系统动、静误差补偿的关键部件。 检测装置：用传感器按一定规律将微位移机构的位移输出转换成电量输出。 控制系统：对动态性能掌控；补偿和修正材质和机理的缺陷；反馈调节驱动器的非线性等不良特性等等。它的开发与研究对微位移技术的应用和推广至关重要。 微位移技术在精密仪器中主要用于提高整机的精度，因此随着科学技术的发展，精密仪器的精度越来越高，微位移技术应用越来越广。根据目前的应用范围，大致可分为四个方面:精度补偿、微进给、微调、微执行机构。 三、微位移机构—压电元件与电致伸缩式微位移机构 1、逆压电效应和电致伸缩效应 常见的微位移机构： （1）直线电机式微位移机构 （2）机械传动式微位移机构 （3）扭转摩擦传动式微位移机构 （4）弹性变形传动式微位移机构 （5）压电元件与电致伸缩式微位移机构 （6）热变形式微位移机构 （7）磁致伸缩式微位移机构 压电、电致伸缩器件是近年来发展起来的新型微位移器件，也是目前应用最为广泛的技术。使用压电或电致伸缩器件驱动，不仅控制简单(只需控制外加电压)，而且可以很容易实现亚微米甚至是毫微米级的精度，同时不产生噪声和发热，可适于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移机构。已在航空、宇航、微电子工业部门、精密测量和生物工程领域获得重要的应用。由于他的出现，开创了精度进入纳米的新时代。 压电陶瓷驱动器是利用机电耦合效应，即逆压电效应或电致伸缩效应来产生 微位移的。 电致伸缩效应：电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而引起应变，应变与电场方向无关，应变的大小与电场的平方成正比，这个现象称为电致伸缩效应。 逆压电效应：电介质在外界电场作用下，产生应变，应变的大小与电场大小成正比，应变的方向与电场的方向有关，即电场反方向时应变也改变方向。因此，压电材料在外电场的作用下，应变与电场的关系为 E2 （1） 式中：dE—逆电压效应；ME2—电致伸缩效应；d—压电系数；M—电致伸缩系数 逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有，而电致伸缩效应则所有的电介质晶体都有，不过一般来说都是很微弱。压电单晶如石英、罗息盐等的压电系数比电致伸缩系数大几个数量级，结果在低于IMV/m的电场作用下只有第1项，即逆压电效应。 2、压电微位移器件的行程 根据公式（1），当无电致伸缩效应时，ME2=0，那么压电系数为： 式中：U—外界施加的电压；b—压电陶瓷厚度 ??,???—分别为压电陶瓷所用方向的长度和施加电压后的变形量，所以： （2） 压电陶瓷的一个很重要的缺点是变形量小，压电微位移器件在施加较高电压时，行程仍很小。所以在设计微位移器件时，应尽量提高压电陶瓷的变形量。由上述公式，提高微位移器行程的措施可从以下几个方面考虑： （1） 增加压电陶瓷的长度l和提高施加的电压U，这是实际