بررسي اثر كوپلينگ متقابل در پايه‌هاي موقعيت‌دهي نانو داراي مفصل خمشي با عملگر پيزوالكتريك

Study of cross-coupling effect in piezo-flexural Nanopositioning stages

پايه‌هاي موقعيت‌دهي نانو با سينماتيك موازي و داراي محرك پيزوالكتريك، به طور گسترده در ابزار‌هاي دقيق اندازه‌گيري، همچون ميكروسكوپ پراب پويشي مورد استفاده قرار ‌مي گيرند. يكي از عمده‌ترين نقص‌هاي اين وسايل، حركت كوپل شده بين محور‌هاي مختلف آن هاست، به اين معنا كه حركت محور در يك جهت، در تداخل با حركت محورهاي ديگر قرار مي گيرد و منجر به آشفتگي‌هاي نامطلوب مي‌شود. در اين پژوهش بررسي ديناميكي اين سيستم به صورت تحليلي، تجربي و آناليز المان محدود به منظور بررسي علل عمده اثرات متقابل كوپلينگ مكانيكي، انجام شده است. تحليل ها براي يك مدل سه بعدي انجام شده كه شامل يك قسمت الاستيك متحرك در مركز مي باشد و توسط چهار مفصل به يك چارچوب ثابت متصل است.عملگرهاي پيزوالكتريك مدل شده، به صورت استوانه‌ اي بين قسمت متحرك مركزي و چارچوب ثابت جاسازي شده‌اند. شبيه سازي توسط نرم افزار آباكوس، براي دو ضريب اصطكاك مختلف و همچنين حالت-هايي كه تغيير در ماده چارچوب، ماده عملگر و هندسه پايه ايجاد شود، انجام گرفته است. در اين شبيه سازي مشاهده شد كه اصلي ترين دليل در نسبت كوپلينگ، چرخش پيزوالكتريك ها به علت اصطكاك بين پيزوالكتريك ها و تغيير در هندسه چارچوب است.

Parallel piezo-flexural Nanopositioning stages are extensively used in advanced nano-scale imaging and manipulation applications such as scanning probe microscopy systems. One of the major deficiencies of these devices is the coupled motion between their different axes. That is, the motion of stage in one direction interferes with motions in the other directions, leading to undesirable disturbances. In this paper, analytical, dynamic, experimental, and finite element analyses are carried out to investigate the major root cause of the cross-coupling effect. Using ABAQUS FEA software, a 3D model of the stage has been developed. Model consists of a central elastic body connected to the fixed frame through four flexural hinges. A cylindrical stack of multiple piezoelectric layers is placed between the moving central body and the fixed frame. Simulations are carried out for two different friction coefficients in the contact surfaces of the piezoelectric layers, and for different frame materials. It is observed that the main cause of the cross-coupling effect is the rotation of piezoelectric stack due to its friction with the stage moving in the tangential direction, concurrent with a change in the geometry of the stage.