超精密定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片加工、微型機(jī)械制造與超精密加工、光學(xué)顯微鏡技術(shù)、空間星際光通訊、以及生物醫(yī)學(xué)中的納米操作等領(lǐng)域里。壓電步進(jìn)馬達(dá)是一種利用壓電效應(yīng)，將電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的納米級(jí)驅(qū)動(dòng)器件，具備結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)電磁輻射、定位精度高、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，是高精度納米級(jí)定位系統(tǒng)如光刻機(jī)中的關(guān)鍵核心部件。傳統(tǒng)的壓電步進(jìn)馬達(dá)主要包括慣性馬達(dá)和蠕動(dòng)馬達(dá)，但都存在局限性：慣性馬達(dá)的反沖行為產(chǎn)生嚴(yán)重的“回拖”現(xiàn)象和低的工作效率；蠕動(dòng)馬達(dá)基于“尺蠖”（inch worm）機(jī)理產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，至少需要三個(gè)獨(dú)立的壓電致動(dòng)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)抱緊、松開、伸縮等步驟，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。

北京大學(xué)工學(xué)院董蜀湘課題組受到“超材料”設(shè)計(jì)思想的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了 [2×2] 多層陶瓷單元序構(gòu)（OSPAU）結(jié)構(gòu)的壓電驅(qū)動(dòng)器，并通過(guò)多層壓電陶瓷共燒方法制備出壓電驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)。設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器工作在人工準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了壓電驅(qū)動(dòng)器的致動(dòng)基元序構(gòu)設(shè)計(jì)思路和基于該壓電驅(qū)動(dòng)器的納米步進(jìn)壓電馬達(dá)的全新工作機(jī)制。研制的納米步進(jìn)壓電馬達(dá)，在非諧振、開環(huán)控制情況下，僅需一路（單相）驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(yùn)動(dòng)速度為1.89 mm/s，產(chǎn)生的最小納米步距僅為7 nm，這是目前單相信號(hào)驅(qū)動(dòng)下獲得的最好水平，也遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)單相、多相電磁驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)分辨率。該成果在線發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》（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(shí)已申報(bào)中國(guó)發(fā)明專利一項(xiàng)。

OSPAU的構(gòu)造方法、準(zhǔn)d34系數(shù)的獲得及納米步進(jìn)馬達(dá)最小步距測(cè)試圖

納米步進(jìn)壓電馬達(dá)樣機(jī)照片

利用壓電致動(dòng)功能基元序構(gòu)的設(shè)計(jì)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(gè)非零的壓電應(yīng)變常數(shù)，意味著傳統(tǒng)壓電陶瓷馬達(dá)只有5種工作模態(tài)。如果能夠人工激發(fā)出工程應(yīng)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(shè)計(jì)思路。這種新的思路在科學(xué)研究方面具有重要意義，在材料、機(jī)械、電子等多學(xué)科領(lǐng)域也具有重要的工程應(yīng)用前景與價(jià)值。基于超材料思想設(shè)計(jì)的納米步進(jìn)壓電馬達(dá)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)的要求，比如航空航天急需的空-空或空-地激光通訊對(duì)準(zhǔn)、半導(dǎo)體微電子工藝迫切需要的高端7 nm光刻機(jī)、新型顯示器制造中的超精密對(duì)準(zhǔn)定位、國(guó)防需求的激光武器與火炮制導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)、以及生物醫(yī)學(xué)中需要的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人、分子水平共聚焦成像納米z軸驅(qū)動(dòng)技術(shù)等。

該論文的第一作者是北京大學(xué)工學(xué)院2018級(jí)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(guó)家自然科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。