宏-微-纳跨尺度粘滑型压电驱动器动力学建模与试验评价

云浩; 陈延龙; 原路生; 李京顺; 张登攀

doi:10.37188/OPE.20253320.3252

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宏-微-纳跨尺度粘滑型压电驱动器动力学建模与试验评价

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2025-11-28

- 宏-微-纳跨尺度粘滑型压电驱动器动力学建模与试验评价
- Dynamic modeling and experimental evaluation of Macro-Micro-Nano cross-scale stick-slip piezoelectric actuators
- 光学精密工程 2025年33卷第20期页码：3252-3264
- 作者机构：
  
  1.河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作 454003
  2.叶县先进制造业开发区科技研发中心，河南平顶山 467212
  3.南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室，江苏南京 210016
- 作者简介：
  
  [ "云浩（1994-），男，河南焦作人，博士，讲师，2017年、2020年于河南理工大学分别获得学士学位与硕士学位，2023年于日本室兰工业大学获得博士学位，主要从事精密压电驱动方面的研究。 E-mail： yunhao@hpu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  河南省科技攻关项目(252102221010);河南省高等学校重点科研项目(25A460010);河南省高校基本科研业务费专项资金资助
- DOI：10.37188/OPE.20253320.3252
  中图分类号： TH122
- CSTR：32169.14.OPE.20253320.3252
- 收稿：2025-07-09，
  
  修回：2025-08-09，
  
  纸质出版：2025-10-25
- 稿件说明：
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云浩,陈延龙,原路生等.宏-微-纳跨尺度粘滑型压电驱动器动力学建模与试验评价[J].光学精密工程,2025,33(20):3252-3264.

YUN Hao,CHEN Yanlong,YUAN Lusheng,et al.Dynamic modeling and experimental evaluation of Macro-Micro-Nano cross-scale stick-slip piezoelectric actuators[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(20):3252-3264.
云浩,陈延龙,原路生等.宏-微-纳跨尺度粘滑型压电驱动器动力学建模与试验评价[J].光学精密工程,2025,33(20):3252-3264. DOI： 10.37188/OPE.20253320.3252. CSTR： 32169.14.OPE.20253320.3252.

YUN Hao,CHEN Yanlong,YUAN Lusheng,et al.Dynamic modeling and experimental evaluation of Macro-Micro-Nano cross-scale stick-slip piezoelectric actuators[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(20):3252-3264. DOI： 10.37188/OPE.20253320.3252. CSTR： 32169.14.OPE.20253320.3252.

摘要

为了满足微纳电子制造领域中晶圆检测系统及扫描电子显微镜光学系统内部的精密驱动需求，本研究提出了一种具有宏-微-纳跨尺度驱动的粘滑型压电驱动器。首先，详细阐述了该驱动器的动、定子结构设计及其驱动原理，通过有限元仿真方法对定子结构尺寸参数进行了优化。然后，构建了驱动器的动力学模型，进一步分析其步进特性。动力学仿真结果表明，该驱动器具备微观步进位移能力。最后，制作了驱动器的原理样机，并搭建试验系统对其输出性能进行了评价。试验结果表明：驱动器最大空载速度为20.3 mm/s，最大步进位移为15.82 μm，定位分辨率可达70 nm，最大负载为2.2 N，能够满足宏观大行程连续移动、微米级步进位移及纳米级高精密定位的跨尺度驱动需求。本研究为粘滑型压电驱动器在扫描电镜光学系统内部光阑板驱动中以及晶圆检测平台中的应用提供了重要的理论与实验依据。

Abstract

To meet the precision driving requirements of wafer inspection systems and the internal optical systems of scanning electron microscopes （SEMs） in the field of micro-nano electronics manufacturing， a stick-slip piezoelectric actuator with Macro-Micro-Nano cross-scale drive was proposed in this study. First， the structural design of the slider and stator of the actuator and its driving principle were elaborated in detail， and the dimensional parameters of the stator structure were optimized by finite element simulation method. Then， the dynamic model of the actuator was constructed to analyze its stepping characteristics. The simulation results showed that the actuator was capable of micro-stepping displacement. Finally， the prototype of the actuator was fabricated， and the experimental system was built to evaluate its output performance. The experimental results indicate that the proposed actuator exhibits a maximum no-load speed of 20.3 mm/s， a maximum step displacement of 15.82 μm， a positioning resolution of 70 nm， and a maximum load of 2.2 N， which can meet the cross-scale driving requirements of macro large-stroke continuous movement， micro-scale step displacement， and nano-scale high-precision positioning. This study provides an essential theoretical and experimental basis for the application of stick-slip piezoelectric actuators in critical scenarios such as the alignment of aperture plates in SEM optical systems and wafer inspection platforms.

关键词

Keywords

references

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