一种压电刚玉管扫描器的设计及其实验系统

　　扫描隧道显微镜(STM)的问世给人们对原子级别的微观领域进行观测和操作提供了有效可行的工具。在此技术上产生的原子力显微镜(AFM)，由于其自身的诸多优点被广泛应用于微观领域的观测和操作。但是随着微/纳技术的不断发展，其所涉及的领域也越来越广。在一些实时性要求很高的领域，如化学反应过程的观察、生命活动变化过程的监测等，它们的变化过程从开始到结束往往只能持续数秒的时间甚至更短，以至于现有AFM无法实现对进行实时观测。因此，在确保现有AFM检测范围及检测精度的同时，提高其成像速率是一个迫切需要解决的重要问题。本课题在国家自然科学基金的资助下，对一种高性能压电扫描器及其实验系统进行了研究，为微观领域的快速定位、观测和操作提供一种解决方案。通过对传统四分压电刚玉管结构扫描器的优缺点进行分析和研究，提出了一种新型的十二分压电刚玉管结构扫描器。该结构类型的扫描器融合传感器和扫描器本身为一体；而且可以采用感应电荷作为反馈信号，摆脱了电容传感器高频工作时噪声干扰较大的困扰，有助于扫描器在结构紧凑的条件下实现闭环控制进行高速控制和扫描。然后根据扫描器的结构原理确定了其结构参数，并利用有限元分析软件对所设计的扫描器结构进行仿真分析和优化设计，保证其谐振频率和工作范围等指标参数满足设计要求。

　　根据所确定的十二分压电刚玉管扫描器的工作原理，进行标定实验系统、激光光路系统和综合系统方案设计。然后根据系统性能指标和要求，对所需实验构件和设备进行比较分析和选购。并根据所选构件和设备，利用三维建模软件进行扫描器系统设计。同时针对压电陶瓷的迟滞、蠕变等非线性特性分析介绍了Prandtl-Ishlinskii(p-I)迟滞模型的构建方法，并设计了适合压电刚玉管扫描器高速扫描的控制方案。基于所设计的扫描器方案，搭建了相应的实验系统，测试了扫描器的相关特性。并根据理论分析和实验数据，构建了扫描器X、Y轴方向的相关迟滞模型及逆模型。实验结果表明十二分压电刚玉管结构扫描器具有良好的定位特性；Prandtl-Ishlinskii(p-I)迟滞模型构建原理能较好的描述压电陶瓷材料驱动器的迟滞非线性。

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