北大利用“超材料”思想设计纳米步进压电马达并取得重要进展

超精密定位技术广泛应用于半导体芯片加工、微型机械制造与超精密加工、光学显微镜技术、空间星际光通讯、以及生物医学中的纳米操作等领域里。压电步进马达是一种利用压电效应，将电场能转化为机械能的纳米级驱动器件，具备结构紧凑、无电磁辐射、定位精度高、无噪声等优点，是高精度纳米级定位系统如光刻机中的关键核心部件。传统的压电步进马达主要包括惯性马达和蠕动马达，但都存在局限性：惯性马达的反冲行为产生严重的“回拖”现象和低的工作效率；蠕动马达基于“尺蠖”（inch worm）机理产生步进运动，至少需要三个独立的压电致动元件来实现抱紧、松开、伸缩等步骤，结构非常复杂。

北京大学工学院董蜀湘课题组受到“超材料”设计思想的启发，设计了 [2×2] 多层陶瓷单元序构（OSPAU）结构的压电驱动器，并通过多层压电陶瓷共烧方法制备出压电驱动器样机。设计的压电驱动器工作在人工准剪切d34模式，并表现出巨大的压电系数（1403 pm/V），而在天然压电陶瓷中该系数为零。实验验证了压电驱动器的致动基元序构设计思路和基于该压电驱动器的纳米步进压电马达的全新工作机制。研制的纳米步进压电马达，在非谐振、开环控制情况下，仅需一路（单相）驱动信号，便能在较宽的非共振频带下执行宏-微-纳米操作功能。获得的最大宏观直线运动速度为1.89 mm/s，产生的最小纳米步距仅为7 nm，这是目前单相信号驱动下获得的最好水平，也远优于传统单相、多相电磁驱动器的步进分辨率。该成果在线发表在《先进科学》（Advanced Science）上，题目为“Designing Ordered Structure with Piezoceramic Actuation Units (OSPAU) for Generating Continual Nanostep Motion”（DOI: 10.1002/advs.202001155），文章链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001155。该成果同时已申报中国发明专利一项。

OSPAU的构造方法、准d34系数的获得及纳米步进马达最小步距测试图

纳米步进压电马达样机照片

利用压电致动功能基元序构的设计思路可以获得传统压电陶瓷材料不具备的新功能，比如，自然压电陶瓷只有5个非零的压电应变常数，意味着传统压电陶瓷马达只有5种工作模态。如果能够人工激发出工程应用必须的、而自然压电陶瓷本身所不具备的压电模态，就可极大地拓展压电器件的设计思路。这种新的思路在科学研究方面具有重要意义，在材料、机械、电子等多学科领域也具有重要的工程应用前景与价值。基于超材料思想设计的纳米步进压电马达，具有结构简单、驱动方便、易于集成等特征，可以满足许多亟待解决的精密工程在跨尺度下精密驱动的要求，比如航空航天急需的空-空或空-地激光通讯对准、半导体微电子工艺迫切需要的高端7 nm光刻机、新型显示器制造中的超精密对准定位、国防需求的激光武器与火炮制导对准、以及生物医学中需要的微创外科手术机器人、分子水平共聚焦成像纳米z轴驱动技术等。

该论文的第一作者是北京大学工学院2018级博士生李占淼，董蜀湘教授是本论文通讯作者。研究获得了国家自然科学基金委（51772005）、航天十二院（北京航天芯智汇物联科技有限公司）和磁电功能材料与器件北京市重点实验室的资助。