微机电系统大作业

北科版

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

北科版

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 …… 此处隐藏：2525字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……