基于近场声悬浮与电磁驱动的三轴纳米定位器
应用物理
2025-09-03 v2 系统与控制
系统与控制
摘要
近场声悬浮(NFAL)凭借其高声学刚度和挤压膜阻尼,可在垂直(Z)方向上实现纳米级定位分辨率和超过数百赫兹的带宽。然而,其在水平(XY)定位中的应用受到显著较低的水平方向声学刚度和不足阻尼的限制,导致分辨率和带宽降低。此外,基于 NFAL 的定位系统通常缺乏多轴驱动能力,因为难以产生多向声学力。本工作提出一种混合定位方法,通过将 NFAL 与电磁驱动相结合来克服上述局限。一个平面磁性平台被声悬浮,同时一个共面载流线圈提供比单独声学力所能达到的高出三个数量级以上的水平捕获刚度。此外,该线圈产生三维电磁力,从而实现多轴定位能力。在与线圈集成的一片薄铜片中感应的涡流使水平阻尼提高了 52 倍。我们在实验中展示了精确的三轴线性运动,所有轴的均方根(RMS)定位分辨率均优于 20 nm。该系统实现了 1.42 mm 的面内运动范围和 16 Hz 的带宽,以及 40 微米的 Z 轴运动范围和 171 Hz 的定位带宽。
引用
@article{arxiv.2503.19175,
title = {A three-axis Nanopositioner based on Near-Field Acoustic Levitation and Electromagnetic Actuation},
author = {K. S. Vikrant and Prosanto Biswas and S. O. Reza Moheimani},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.19175},
year = {2025}
}