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的真空腔内包含微米级原子力显微镜或扫描隧道显微镜的探针阳极。大量的实验数据，在同个样本的不同点上，使我们可以对几个效果进行重要的统计分析。在测量的大多数，我们观察在个强场里的可再生的场发射饱和电流，这是用改进的富勒诺德海姆模型形成的串联电阻来解释。发射的稳定性，放射的响应以及在技术方面有关的应用都会在本文中加以讨论。碳纳米管产品测量装置目录第章绪论超高真空扫描探针显微镜概况微位移工作台的研究现状惯性式步进驱动器的研究状况本论文主要内容第二章惯性式步进器的工作原理引言压电陶瓷柔性铰链惯性元器件第三章惯性式压电步进器控制系统总体设计驱动电源软件控制第四章压电步进器运动性能测试实验设计压电陶瓷标定实验压电步进器双轴运动性能测试第五章压电步进器优化设计微位移工作台结构简化微位移工作台的限位装置第六章总结与展望参考文献外文资料中文译文致谢第章绪论超高真空扫描探针显微镜概况扫描探针显微镜简称包括扫描隧道显微镜原子力显微镜激光力显微镜磁力显微镜静电力显微镜以及扫描热显微镜等，是类完全新型的显微镜。它们通过其端粗细只有个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表面的情况，便可以分辨出其它显微镜所无法分辨的极小尺度上的表面细节与特征。超高真空扫描探针显微镜是研究表面物理和超导物理等学科的重要仪器之，与大气环境的扫描探针显微镜工作原理相同。但由于工作于超高真空环境这个特殊性，仪器中很多部件不能按照大气环境设计，其中样品定位机构便不能采用普通的步进电机。扫描隧道显微镜缩写为。它作为种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。使人类第次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学材料科学生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为世纪年代世界十大科技成就之。国外概况扫描隧道显微镜于算机控制数据分析和图像处理系统于体的扫描隧道显微镜，在同年年底又研制出中国第台原子力显微镜，其性能下子就达到了原子级分辨率。后来又在已有的和基础上，成功地研制出中国首台全自动，其横向分辨率为。年月，我国第台光子扫描隧道显微镜由大连理工大学物理系和中科院北京电镜实验室联合研制成功。著名科学家王大琦郭可信于福嘉等参加的鉴定会认为，这实验装置图像分辨率横向优于纳米，纵向优于纳米，扫描范围达，具有微机自控图像采集与处理功能，其主要技术性能达到国内领先水平。微位移工作台的研究现状微位移系统研究的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。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，光纤对接微细加工微型机器人装配等。纳米技术被认为是世纪的科技前沿，它的最终目标是直接以分子原子在纳米尺度上制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。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。美国国家关键技术委员会将纳米技术列为政府重点支持的项关键技术之，美国国家基金会亦将纳米技术列为优先支持的关键技术之，美国许多著名大学都设有纳米技术研究机构，如北卡罗莱纳大学的精密工程中心，康乃尔大学的国家纳米加工实验室，路易斯安那大学的微米制造中心等等。日本把纳米技术作为计划中项优先高技术探索项目之，投资亿美元发展纳米技术筑波科学城的交叉学科研究中心把纳米技术列入个主要发展方向之。英国国家纳米技术计划已开始实行，在英国的大学成立了以纳米技术为研究目标的精密工程中心。欧洲的其它国家也不示弱，把纳米技术列入了尤里卡计划。纳米定位技术作为关键技术之将左右各学科纳米技术的发展。扫描隧道显微镜和原子力显微镜在其中扮演了极其重要的作用，它们的核心也就是超精密的微位移系统。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由格尔德宾宁及海因里希罗雷尔在位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特鲁斯卡分享了年诺贝尔物理学奖。自从年德国和研制了第台电子显微镜以来，许多用于表面结构分析的现代仪器相继问世，如透射电子显微镜扫描电子显微镜场离子显微镜俄歇电子能谱仪等等，但是，多数技术都无法直接观测物体的微观世界。年，国际商业机器公司苏黎世研究所的和及其同事们成功地研制出世界上第台扫描隧道显微镜，简称，它使人类第次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。继年发明在真空条件下工作的以来，扫描隧道显微技术及其应用得到了迅猛发展。年先后用于在大气蒸馏水盐水和电解液环境下研究不同物质的表面结构。年，和获得诺贝尔物理学奖。是继高分辨透射电子显微镜，场离子显微镜之后，第三种以原子尺寸观察物质表面结构的显微镜，其分辨率水平方向可达，垂直方向可达。它的出现标志着纳米技术研究的个最重大的转折，甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步。因其具有原子和纳米尺度的分析和加工的能力，在纳米技术的发展中占有着极其重要的地位。使用，物理学家和化学家可以研究原子之间的微小结合能，制造人造分子生物学家可以研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和分子的结构，进行分子切割和组装手术材料学家可以分析材料的晶格和原子结构，考察晶体中原子尺度上的缺陷微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型量子器件。年，国外开始对进行改进，研制出了激光检测原子力显微镜以和为基础，衍生出了系列的扫描探针显微镜，如激光力显微镜，磁力显微镜，扫描电化学显微镜，近光光学显微镜，扫描离子电导显微镜等等。扫描探针显微镜标志着对物质表面在纳米级上成像和分析的个新技术领域的诞生，必将为纳米技术的发展注入新的活力。国内概况在国内起步比较晚。中国科学院化学所白春礼等人在年初成功地研制了中国第台集计驱动器的电流限制，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