超精密定位技術廣泛應用于半導體芯片加工、微型機械制造與超精密加工、光學顯微鏡技術、空間星際光通訊、以及生物醫(yī)學中的納米操作等領域里。壓電步進馬達是一種利用壓電效應，將電場能轉化為機械能的納米級驅動器件，具備結構緊湊、無電磁輻射、定位精度高、無噪聲等優(yōu)點，是高精度納米級定位系統(tǒng)如光刻機中的關鍵核心部件。傳統(tǒng)的壓電步進馬達主要包括慣性馬達和蠕動馬達，但都存在局限性：慣性馬達的反沖行為產生嚴重的“回拖”現(xiàn)象和低的工作效率；蠕動馬達基于“尺蠖”（inch worm）機理產生步進運動，至少需要三個獨立的壓電致動元件來實現(xiàn)抱緊、松開、伸縮等步驟，結構非常復雜。

北京大學工學院董蜀湘課題組受到“超材料”設計思想的啟發(fā)，設計了 [2×2] 多層陶瓷單元序構（OSPAU）結構的壓電驅動器，并通過多層壓電陶瓷共燒方法制備出壓電驅動器樣機。設計的壓電驅動器工作在人工準剪切d34模式，并表現(xiàn)出巨大的壓電系數(shù)（1403 pm/V），而在天然壓電陶瓷中該系數(shù)為零。實驗驗證了壓電驅動器的致動基元序構設計思路和基于該壓電驅動器的納米步進壓電馬達的全新工作機制。研制的納米步進壓電馬達，在非諧振、開環(huán)控制情況下，僅需一路（單相）驅動信號，便能在較寬的非共振頻帶下執(zhí)行宏-微-納米操作功能。獲得的最大宏觀直線運動速度為1.89 mm/s，產生的最小納米步距僅為7 nm，這是目前單相信號驅動下獲得的最好水平，也遠優(yōu)于傳統(tǒng)單相、多相電磁驅動器的步進分辨率。該成果在線發(fā)表在《先進科學》（Advanced Science）上，題目為“Designing Ordered Structure with Piezoceramic Actuation Units (OSPAU) for Generating Continual Nanostep Motion”（DOI: 10.1002/advs.202001155），文章鏈接為：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001155。該成果同時已申報中國發(fā)明專利一項。

OSPAU的構造方法、準d34系數(shù)的獲得及納米步進馬達最小步距測試圖

納米步進壓電馬達樣機照片

利用壓電致動功能基元序構的設計思路可以獲得傳統(tǒng)壓電陶瓷材料不具備的新功能，比如，自然壓電陶瓷只有5個非零的壓電應變常數(shù)，意味著傳統(tǒng)壓電陶瓷馬達只有5種工作模態(tài)。如果能夠人工激發(fā)出工程應用必須的、而自然壓電陶瓷本身所不具備的壓電模態(tài)，就可極大地拓展壓電器件的設計思路。這種新的思路在科學研究方面具有重要意義，在材料、機械、電子等多學科領域也具有重要的工程應用前景與價值。基于超材料思想設計的納米步進壓電馬達，具有結構簡單、驅動方便、易于集成等特征，可以滿足許多亟待解決的精密工程在跨尺度下精密驅動的要求，比如航空航天急需的空-空或空-地激光通訊對準、半導體微電子工藝迫切需要的高端7 nm光刻機、新型顯示器制造中的超精密對準定位、國防需求的激光武器與火炮制導對準、以及生物醫(yī)學中需要的微創(chuàng)外科手術機器人、分子水平共聚焦成像納米z軸驅動技術等。

該論文的第一作者是北京大學工學院2018級博士生李占淼，董蜀湘教授是本論文通訊作者。研究獲得了國家自然科學基金委（51772005）、航天十二院（北京航天芯智匯物聯(lián)科技有限公司）和磁電功能材料與器件北京市重點實驗室的資助。