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柔性铰链在微纳加工中的应用

柔性铰链作为一种小体积、无机械摩擦、无间隙和运动灵敏度高的传动结构， 广泛应用于各种要求微小线位移或角位移、且高精度定位的场合。近几年， 采用压电元件驱动，柔性铰链机构传动实现精密定位有着众多的应用， 如光束跟瞄稳定控制、微动工作台、同步辐射光束控制、激光焊接等。纳米定位技术是实现纳米加工和纳米测量的基础，柔性铰链在该领域也有着极其重要的应用。

柔度是评价柔性铰链最重要的参数之一, 有关它的计算方法已有大量有价值的参考文献。由于柔性铰链是通过弹性变形实现铰链运动的，施加的弹性变形力会导致铰链中心点偏离其几何中心。从而影响柔性铰链的转动精度。对于位移放大结构，柔性铰链的精度显得更为重要。

柔性铰链的中部较为薄弱，在力矩作用下可以产生较明显的弹性角变形，能在机械结构中起到铰链的作用。它与一般铰链的区别是没有机械结构上的间隙，并且有弹性回复力，因而消除了运动中的摩擦和回退空程。柔性铰链主要有两种类型，直梁型柔性铰链和圆弧型柔性铰链。直梁型柔性铰链有较大的转动范围,但其运动精度较差，转动中心在转动过程中有明显的偏转。圆弧型柔性铰链的运动精度较高，但运动行程受到很大的限制，只能实现微小幅度的转动。为了兼顾运动精度和运动范围，有学者提出了椭圆型柔性铰链和圆角型柔性铰链，并给出了相应的计算公式。以上的柔性铰链都只对一个转动轴敏感,是单轴柔性铰链。也可以设计双轴柔性铰链，它在2个转动轴上的刚度都很低,但径向刚度很差,不能承受较大的径向力。由于圆弧型柔性铰链具有结构紧凑、运动精度高的特点，在精密机械、精密测量、微米技术和纳米技术等领域得到广泛应用。用线切割的方法取代钻孔来加工圆弧型柔性铰链和柔性铰链机构，使其设计和制造更加简便和准确。

柔性铰链轴承在现代机器中出现得越来越多。它可以将轴瓦设计为一体,简化了装配过程并降低了加工的尺寸公差要求。与固定形状的轴承相比，柔性铰链轴承可降低液体滑动摩擦轴承的半速涡动，防止颤振。

柔性铰链还可用于联接件。由柔性铰链组成的柔性联接器。它只传递垂直于纸面方向的推力，在水平方向和垂直方向移动的刚度很低。利用柔性铰链还可设计具有2个转动自由度的弹性万向节。有构紧凑、传动精密的特点。

柔性铰链还用于调整结构。将来的光盘有更大的存储密度和更高的读取速度，光盘的转速也应随之提高，则要求DV D /CD拾音头的驱动有更大的加速度和更好的线性度。利用柔性铰链机构可以很好地解决这些问题。德克萨斯大学设计的光刻对准台中运用了柔性铰链四连杆作为调整机构。在距离中心10 mm处施加一个4 N的力可使安装模板的平台相对感光基底偏转0. 5 mrad。有限元分析表明，当倾斜角为0. 38 mrad 时，模板的侧向运动小于5 nm。

柔性铰链也可用于测量和标定。近10年来出现了许多具有亚纳米级灵敏度的线性位移测量传感器。它们很多都使用了光学干涉仪，然而，条纹细分是建立在理想形态干涉信号的基础上的，实际的干涉条纹同理想形态还有差距。利用X射线干涉测量来线性内插光学干涉仪的条纹可以准确地测量亚条纹级的位移。英国国家物理实验所(NPL)的组合式光学和X射线干涉仪(COXI)结合了光学干涉仪的大行程和X 射线干涉仪的高分辨率，光学干涉仪以间隔为158. 25 nm 的整数条纹步进，X 射线干涉仪以0. 192 nm的硅(200) 晶格步进[11]。为了实现硅晶薄片之间纳米级运动，采用了柔性铰链平行四杆机构传递位移。利用该仪器可对亚纳

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米级灵敏度的线性位移传感器进行标定。美国国家标准局设计了一体化的柔性铰链机构，以联接X射线干涉仪和光学干涉仪。它采用3级杠杆，从驱动点到工作台面的位移缩小比达到1000 : 1，由此降低了对驱动元件的要求，但柔性铰链机构较为复杂。他们还利用柔性铰链在几角秒的运动范围内达到1微角秒的调节精度。为了加大X 射线干涉仪的测量范围，德国设计了对称结构的柔性铰链传动机构。该机构消除了在主运动垂直方向上的干涉运动,测量范围达到了200μm。柔性铰链机构传动实现微小位移还可以对激光干涉测量和电容测量进行互相标定。杠杆天平是简单而古老的机械式测量仪器。等臂刀口式杠杆天平的分辨率可达到10- 5以上。国际度量衡局研制的柔性铰链悬挂式等臂杠杆天平在空气中的分辨率高达10- 10、在真空中可达10- 11的分辨率[15 ]。

柔性铰链还被用于啮合齿轮的齿表摩擦系数的测量。如图9所示，被测齿轮用柔性铰链连杆联接，保证了齿轮的中心距不变，并精确地产生啮合齿轮间的相对运动。

下面来介绍柔性铰链在微纳加工的工作台当中的应用。

随着微技术的发展，以微型器件为测量对象的纳米测量技术和测量仪器的研究越来越受到学术界的重视，国内外很多学者都在致力于以微型器件为测量对象的纳米三坐标测量机的研究。纳米三坐标测量机的一个重要部件，它采用压电陶瓷驱动，柔性铰链导轨式结构。柔性铰链具有运动灵敏度高、无机械摩擦和无间隙等特点，使得其在超精密机械中得到广泛的应用。利用柔性铰链的弹性变形，可以方便地实现精密微动工作台的微量运动，而轴向和转动刚度又较高，能保证运动精度。六自由度微动工作台采用单层结构，六自由度运动由8 个压电陶瓷驱动杆A2a 、B2b、C2c 、D2d 、E2e 、F2f 、G2g 、H2h的伸缩和两端柔性铰链的转动来实现。其中柔性铰链A 、B 、C、D 、E、F、G、H 与固定台相连, a 、b、c 、d 、e 、f 、g 、h 与微动台相连. 8 个驱动杆对称分布， A2a 、C2c 初始位置与Y 轴平行，B2b、D2d 初始位置与X 轴平行， E2e 、F2f 、G2g 、H2h 初始位置与Z 轴平行，且8 个杆的初始长度相等。工作台运动时，仅在柔性铰链处发生弹性变形，其它部分认为是刚体。为实现微动台六自由度运动，要求柔性铰链可以实现绕两个正交轴的转动，所以需采用万向柔性铰链或者双向柔性铰链结构。

1978年美国国家标准局开发了一个微定位工作台并用于光掩模的线宽测量

[18 ]。为了能在光学和电子显微镜中使用，要求工作台结构紧凑并能在真空中工作。工作台采用了压电元件驱动，柔性铰链机构进行位移放大的方案。压电元件在低频工作时的能量耗散为零，因此工作台没有内部热源。工作台可在50 μm的工作范围内，以1 nm或更高的分辨率将物体线性定位。工作台还被用于其它显微物体，如生物细胞、空气污染颗粒和石棉纤维等的尺寸精密测量。扫描隧道显微镜(STM)测头的运动范围有限，因此有许多科研人员研制了压电驱动柔性铰链机构传动的2维超精密工作台以扩大STM的测量范围。如美国国家标准局报道了一个有500μm× 500μm视场的扫描隧道显微镜。携带样品的大范围X - Y 工作台的核心是铝合金制作的单一柔性铰链机构，每个运动方向均由一个压电块驱动，柔性铰链机构的位移放大比约为18。工作台与扫描范围为8μm× 8μm的STM测头协同工作实现大视场测量，该仪器的分辨率约为1 nm。利用3个压电元件驱动，柔性铰链机构传动可实现平面内的3自由度运动。韩国科学与技术高级研究所和密歇根技术大学联合研制的X Yθ纳米级超精密工作台，由安装于柔性铰链机构内的3个压电致动器控制其在X、Y和θ方向的运动。柔性铰链机

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构对压电元件的变形具有放大作用。工作台沿X轴的运动范围为41. 5μm,沿Y 轴的运动范围为47. 8 μm，沿Z轴的转动范围为1. 565 mrad。它被应用于半导体的光刻。利用蠕动式原理可将单一压电元件驱动的柔性铰链机构上3个不同自由度的位移合成，并实现大行程运动[20 ]。由此可使工作台的尺寸微小化，适用于在狭小空间实现较大行程的操作和定位。

由压电元件、柔性铰链机构和电容传感器组成的微定位刀架用于超精密金刚石切削。刀架的行程为5μm。微定位刀架自身的分辨率小于1nm，但由位移传感器决定了其闭环系统的定位分辨率约为5 nm。实验测得刀具切深控制的分辨率小于25 nm。

在精密联接工艺，如激光焊接中，需要较大运动范围、结构紧凑、高刚度、垂直运动的微动台。因此设计了如图11 所示运动的微动台,水平内置式压电块推动杆1和杆2，通过对称的柔性铰链放大机构将压电块位移转化为台面的垂直运动。该微动台的运动范围为200μm，垂直刚度为6. 0 N /μm，频响为364 Hz。

压电驱动,柔性铰链机构传动的原理被用于冲击式点阵打印机的打印头。柔性铰链机构将压电块的位移放大30倍，驱动打印针运动。同样的7组打印针组成打印头。一个字符可由7×6的点阵组成，由7针阵列的打印头连续冲击色带进行打印。

在自动化生产中,显微镜结合图像处理作为传感器得到广泛应用。为了获得高质量的图像而需要高精度的自动聚焦系统。采用压电驱动,柔性铰链机构传动的自动聚焦系统的重复精度达到0. 035μm,能对放大倍率为100的物镜聚焦。而用传统的步进马达驱动、滚珠丝杠传动来定位,精度仅为1μm左右，物镜的放大倍率也被限制在40左右。

与流行的超声行波压电马达不同，利用压电驱动，柔性铰链机构传动实现动子和静子间的夹紧和步进转动，可以得到另一种形式的压电马达。以同样的运动原理，还可设计成直线马达。飞利浦公司设计的压电驱动，柔性铰链机构传动的直线马达的静态定位误差为30 nm，驱动力为3 N，最高速度为34 mm /s。压电直线马达的柔性铰链机构采用一体化设计，并在固定的平行导轨中运动，获得了5 nm的位移分辨率、90 N /μm的刚度、200 N的输出力，以及6 mm /s的运动速度。

利用了柔性铰链机构放大压电元件的位移还制成了径向谐波马达。压电马达与常规马达相比，在低速情况下可获得高定位精度，并能承受一定的力矩或力，掉电时可通过较高的摩擦力将转子固定，因此适用于直接驱动。但压电马达的能量转换效率较低，寿命有限，价格高，功率不大。

在微型仪器的装配、生物细胞的操作和微细外科手术等领域需要使用微型夹持器。微夹持器通过柔性铰链杠杆机构将压电驱动器的位移放大70倍，使其2个手指合拢以抓取微小物体。

柔性铰链具有结构简单、运动平稳、无需润滑、无回退空程、无摩擦、高精度等优点。它在精密机械、精密测量、微米技术和纳米技术等领域应用广泛。列举了柔性铰链在支撑结构、联接结构、调整机构和测量仪器中的典型应用。利用柔性铰链机构传递和放大压电致动器位移是实现超精密位移和定位的重要方法,对其典型例子作了介绍。有助于全面了解和使用柔性铰链及其机构。 参考文献：

[1] 吴鹰飞 周兆英 柔性铰链的应用 中国机械工程第13卷第18期2002年

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[2] 陈贵敏 贾建援 刘小院 勾燕洁 柔性铰链精度特性研究 仪器仪表学报 2004年8月

[3] PI_Catalog_Piezo_Nanopositioning_Hexapod

[4] 魏玉凤, 余晓芬 六自由度微动工作台柔性铰链设计 纳米技术与精密工程 2004 年6 月

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