术方面的研究。微位移驱动器的研究现状微位移系统包括微位移机构，检测系统，控制系统三部分。微位移机构或称微动工作台由微位移器和导轨组成。按形式可分为以下五类平行弹性导轨，机械式，电磁压电或电致伸缩微位移器驱动柔性支承，压电或电致伸缩微位移器驱动滚动导轨，压电或电致伸缩微位移器驱动滑动导轨，机械式驱动气浮导轨，伺服电机或直线电机驱动。基于压电陶瓷和柔性铰链的优点，越来越多的专家和学者对压电陶瓷驱动的柔性铰链精密工作台进行了研究，其基本原理是以柔性铰链为导向机构的基本单元及弹性支承组成微位移机构，以压电陶瓷驱动器为驱动机构，以柔性铰链变形带动整个运动机构产生运动实现精密定位。主要的研究工作在于柔性铰链平台设计优化压电陶瓷驱动器迟滞非线性建模技术以及精密工作台的控制技术。年，美国国家标准局的和首先采用以柔性铰链为导向机构，以压电陶瓷微位移器为驱动元件的原理成功研制了维精密工件台，并应用于光学和电子显微镜。它采用杠杆原理与柔性铰链相结合的整体式结构，利用叠层式压电陶瓷作为驱动元件，具有结构紧凑无间隙无摩擦无需润滑无轴承噪音等优点，在低频下运行没有内热产生。该精密工件台的设计参数为，行程范围为，微位移分辨力为。年，日本学者利用杠杆的放大和缩小原理设计了种精密工作台并将其应用在扫描隧道显微镜中，其工作原理如图所示。该工作台的设计尺寸为，分辨力为。图设计的精密工作台年，伊利诺依大学香槟分校的等人研制了并联微动平台。如图所示。该微动工作台用压电陶瓷驱动，采用柔性铰链为弹性支承的柔性平行四连杆结构为运动导向，工作行程为，开环谐振频率为，闭环的定位精度达到了，且具有很好的线性度。图设计的二维并联微动平台国内也很早就开始了这方面的研究工作。清华大学在单平行四杆机构的基础上开发了种用于精密测量的维精密工件台。如图所示，它具有直接传动无摩擦结构紧凑重量轻刚度大和分辨率高等优点。该工作台可以达到的测量分辨率和的定位精度。在此基础上，李庆祥教授等人在二十世纪八十年代就开发了基于柔性铰链和压电陶瓷驱动器的二自由度精密工件台，可以在单层上实现两个方向的微动。它可以简化成两个分别进行向运动的单平行四连杆机构，如图所示，在工作台的两处分别安装个压电微位移驱动器，当在压电式驱动器上施加电压时产生位移输出，由于四连杆受力而变形，获得两个方向的微位移。其技术指标为尺寸范围为，最大行程为，定位精度为。图清华大学设计的精密工作台图李庆祥设计的二维工作台图王建林设计的三维体精密工作台天津大学王建林等人采用整体式结构设计了三维纳米精密工件台。如图所示方向均以柔性铰链为弹性导轨的柔性双平行四杆机构实现运动导向，向采用以柔性八杆对称联动机构实现运动导向，利用堆叠式压电陶瓷作为微位移驱动器，分别实现向微位移，其最大行程为,该工作台定位精度优于定位分辨率，最大定位时间。上述分析表明，国内外专家和学者积极开展对柔性铰链精密工作台的深入研究，不断研制出各种结构的精密工件台，使工作台往高精度高速度大行程多自由度的方向发展，同时也带来了些难以避免的问题，如多自由度的精密工作台必然存在不同自由度上的位移耦合问题，高精和高速以及高精度和大行程是两对相互制约的矛盾，难以同时得到满足。因此，如何减小各自由度之间的耦合以及解决高速和高精以及高精度和大行程之间的矛盾是我们值得研究的重点和方向。惯性式步进驱动器的研究状况为使中的定位机构能够在超高真空环境下实现大量程，快速地移动样品，本课题采用由压电陶瓷驱动器驱动的惯性式步进器。压电型驱动器按技术特点分为直动式步进式惯性式。直动式驱动器的精密定位容易实现，闭环控制也容易现，但行程过小，限制了其应用步进式和冲击式驱动器理论上可以不受行程的限制，进给速度较快，但轴向刚度和输出推力较小是其不足之处。惯性式驱动器结构简单，可高频工作以上，适于高分辨率大行程力小的场合。本文主要介绍惯性式压电型驱动器。图日本等研制的纯惯性式驱动器原理图及驱动电压惯性式精密驱动器由压电叠堆或单双压电片致动。按作用机理的不同，此类驱动器还可细分为纯惯性冲击式和惯性摩擦式驱动器。图为日本等研制的纯惯性式驱动器原理图。图为相应的驱统由个多层压电元件个电荷放大器个压电元件驱动台电脑以及个光纤位移传感器。表是本实验中的多层压电元件的规格。该压电元件面积为，长度为。在的载压下，压电元件伸长。检测电极附于压电元件的所有端面。上端的铝制检测电极，横截面大小为，厚度为，重量为。下端的碳素钢制的检测电极固定于接地的工作台上。用导电胶将电线与检测电极相连。本系统受控于电脑,。压电元件的位移，通过灵敏度为频率范围为的光线位移传感器，进行测量。感应电荷，可用频率范围为至的电荷放大器进行测量。通过个位的转换器就可以获得反馈信号。从位的转换器输出的操作信号，经过输出电压范围为至增益的压电元件驱动器，得以放大。感应电荷响应频率响应图图图图显示了压电元件位移频响。压电元件驱动器，通过个振荡器，驱动压电元件。图，显示的是位移与施加电压的关系。图显示的是位移与电荷放大器输出量的关系。在这些图中，驱动频率为时位移的幅值定为。施加电压驱动频率时位移幅值为。由于压电元件驱动器的电流限制，压电元件的上限驱动频率为。在被测频率范围内，幅值与相位保持不变。表表图显示的是压电元件的滞后回线。图显示的是位移与施加电压之间的关系。图显示的是电荷放大器输出量与位移量之间的关系。该图中的压电元件驱动频率为。由于电荷放大器的输出量是在稳态下测量，所以平均输出量为。对于施加电压的位移迟滞在图中很明显。表显示的是压电元件对于施加电压或者对于电荷放大器输出量的迟滞。位移对施加电压的迟滞为最大幅值的。但是，同状况下，位移对电荷放大器输出量的迟滞只有。表显示的是位移对于施加电压或者对于电荷放大器输出量的比例关系。当电压在最大幅值与最小幅值之间时，位移对施加电压的比值有所不同，为，位移对电荷放大器的输出量的比值为。在别的频率下，这种趋势依然明显。瞬态响应图表图显示的是当施加的阶跃电压时的压电元件瞬态响应。在此状况下，稳态位移与电荷放大器输出量分别为。电荷放大器的输出波形与位移波形相同。压电元件的传递函数如下其中是压电元件的谐振频率，是静态位移量与压电元件上的施加电压的比值。如表中，由电压幅值与偏压的改变，的值而改变。表显示了固有频率与阻尼系数。尽管它们的固有频率相同，但是由于检测电极上电线的阻抗，电荷放大器输出量的阻尼系数大于位移量的阻尼系数。图中，位移与电荷放大器输出量的相关系数为因此，压电元件的位移量能够通过感应电荷来测量。位移控制图图为该位移控制系统的框图。图为该系统的开环控制。根据静态位移量与施加电压的比例关系，提供阶跃电压信号进行开环控制。图为位移反馈控制系统。图为感应电荷反馈控制系统。电荷放大器与电容相连。在阶跃输入下，当检测电极间的电压信号可用示波器测得输入阻抗为时，该系统的时间常数为。因此，与检测电极相连的电容的值包括寄生电容近似为。在该感应电荷反馈系统中，位移传感器不能用于反馈控制。由于该控制器的最短采样时间为，如图所示，在位移控制情况下，个截止频率为的低通滤波器优于级联下的压电元件驱动器。般地，多层压电元件的传递函数表示为如式的二阶系统。但是，此情况下的截止频率小于压电元件的谐振频率。控制器输出的频率分量超过低通滤波器的截止频率的部分将被衰减。因此，压电元件的谐振频率是可以忽略的，而且本实验中的低通滤波器与压电元件级联的传递函数可以表示为届系统函数，如下式其中是的截止频率，为压电元件的增益。是感应电荷反馈控制下的常数。图图图图至图显示的是通过低通滤波器开环控制位移反馈控制感应电荷反馈控制的阶跃响应的例子。在这些图中，断线处表示的是阶跃输入的上升。在反馈控制中，运用的是增益的比例控制器。将参考位置设为。表显示了调节时间为的误差和稳态误差。压电元件的位移量与位移反馈控制均能控制在几十个毫米之内。表总结在压电元件位移量能够被感应电荷反馈控制的基础上，才能有压电元件位移控制的方法。该方法能用于高频下，正是由于该压电元件的驱动电压源具有低输出阻抗的特点。总结如下在频响中，压电元件位移对感应电荷的比值，不依赖与位移的幅值与压电元件的偏置电压。试验中，位移量对感应电荷的最大滞后为。感应电荷能假设与压电元件的位移量成线性关系。感应电荷的阶跃响应与压电元件位移量的阶跃响应基本相同。压电元件断面处电极上产生的感应电荷的反馈，能够控制压电元件的位移量。因此，感应电荷可用于压电元件的位移控制。电荷放大器的输出量，应通过逆传递函数法，长时间地得到补偿。基于原子力显微镜探针扫描碳纳米管阵列的场发射电流的研究摘要原子力显微镜被用来研究场发射特性，研究在长度方向和垂直方向致的多壁碳纳米管的场发射特性，该管是通过在个硅衬底上进行接触反应的化学气相沉淀而制成。微纳米管的使用使对场发射的测量能够允许在没有个传统的可探测的平行板的辅助下进行，这里测量的发射电流的平均值超过个广泛的区域样本值。测微的内电极距离允许其中个达到带有个合适电压的高电场。这样特性使我们能够特性化最高达的宏观电场的场发射情况，而且同时获得大于的电流密度。场发射运行状况是通过富勒诺德海姆理论的框架来进行分析。在内电极距离估计值为的情况下因子，激励场。在高电压下的特性检测到的饱和电流以种量级达到的串联电阻来解释。其他的影响因素，例如电的条件情况碳纳米管退化等，都会影响激光发射，而且时间稳定性也是研究和谈论的内容之。介绍在真空内的可控电子增殖是基于几种技术应用而来，如荧光品显示器真空电子学电子显微镜射线发生电子束曝光等等。最常用的从物质中提取电子的方法是热电子发射，该热电子发射需要个摄氏度左右的热源而且有许多缺点。场发射，包含通过个外部电场从个传导固体中提取电子金属固体和高度掺杂的半导体，正在逐渐变成最好的替代选择之。事实上，通过这种方法，对发射出的电子流能够得到个有极高电流强度的密度，却有较低能量拓展度而且能量功耗微不足道。高宏观电场，几个，在电子打通并穿过由表面到真空的势垒时有重要饿作用。事实上，如此高的电场可以通过开发局部电场放大到较小曲率半径的尖端的顶端来实现。利用尖的阴极，在电子发射中需要的宏观电场可