基于含金属芯压电陶瓷纤维的纳米精度精密驱动系统的研究

本项目依据2009年度重大研究计划"纳米制造的基础研究"项目指南要求，紧密围绕纳米制造装备新原理的关键基础科学问题展开研究。以压电陶瓷纤维在纳米精度精密制造等领域中得以应用为目标，以纳米制造中广泛使用的扫描探针显微镜技术为应用背景，着重研究压电纤维的精密驱动功能。通过建立其力－电－热本构模型，发展非线性控制理论，解决限制精密驱动的压电陶瓷本身固有的迟滞非线性问题，开发不同驱动频率下的高精度迟滞非线性控制技术。主要研究内容与技术难点包括：建立同时具有温度、蠕变、迟滞特性补偿的模型，自感知技术的开发，以及高频精密驱动系统的设计。基于本项目提出的新的纳米制造精密驱动方法，将含金属芯压电陶瓷纤维新器件和新的精密驱动方法结合起来，提升我国纳米制造的源头创新能力，促进我国纳米加工水平的提高，有利于推动我国纳米制造、集成电路制造技术等的发展，力争在该领域若干方面取得重要国际影响。

含金属芯压电陶瓷纤维(metal core piezoelectric ceramic fiber, MPF) 是近年来由项目申请人自主开发的一种新型压电元件，单根纤维即可实现驱动或传感功能。本项目以MPF新型压电元件在微纳制造领域中应用为目标，针对微纳制造领域高精度驱动和定位要求，开展高性能MPF器件制备、性能表征以及驱动特性研究。采用传统固相合成工艺，对PNN-PZT、PZN-PZT以及PNN-PFZT体系压电陶瓷的制备工艺、烧结条件、结构性能进行系统研究，开发出以PNN-PFZT多元系为代表的高压电性能陶瓷材料，压电常数d33突破1000 pC/N、相对介电常数εr高于8500、介电损耗tanδ低于3%；基于自研发的挤压成型装置，成功制备出直径在100~300微米、圆柱状的MPF驱动器，并提出一种MPF的性能参数表征方法；结合压电理论、振动理论等，建立MPF驱动器基于温度的力电本构模型，分析并测试其驱动特性。针对压电陶瓷驱动器自身固有的迟滞非线性问题，本项目采用了迟滞非线性模型设计了前馈控制器，并结合自感知技术、反馈控制器设计了复合控制策略，提高了压电驱动系统的定位精度。经典的Preisach模型在迟滞非线性建模中获得了最广泛的应用，但所需的参数太多，难与控制器的设计相结合。本项目提出的神经网络模型所需的参数远小于Preisach模型模型，而且参数辨识方便，易于实时控制器相结合。经典的Prandtl-Ishlinskii模型与Maxwell模型只能描述对称的迟滞过程，而压电驱动器迟滞非线性过程是非线性的。本项目分别改进了这两种模型，使其能够描述非对称的迟滞过程，并基于改进的模型设计了控制器，使MPF系统控制精度减小到1%。经典的反馈控制需要测量传感器测量力或位移作为反馈信号，本项目研究的自感知技术可在不使用昂贵的传感器的前提下，达到与使用位移与力传感器同等的控制精度。搭建基于MPF与压电驱动系统，设计了三维精密定位系统，研究各个驱动方向的耦合效应，设计了解耦与迟滞补偿控制器，控制精度提高了80%以上。