《Sensors and Actuators A: Physical》：A Piezoelectric hybrid-driven Manufacturing System for processing micro indentation arrays to regulate the optical reflection characteristics of metal surfaces
编辑推荐：
压电微纳制造系统通过集成二维微定位 stages 和微纳加工模块，实现30mm×30mm大范围加工和9.25μm深度压痕，结合激光位移反馈和力控策略确保深度一致性，成功制备金字塔形微压痕阵列并验证光学反射调控能力。
杨欣|娄在珍|贾博森|严永达|耿彦全
中国黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工业大学机器人研究所机器人系统国家重点实验室，邮编150080
摘要
基于纳米压痕的制造技术已被广泛用于复杂微结构阵列的制备，但其应用受到有限加工范围和不稳定压痕深度的限制。在这项研究中，我们开发了一种基于纳米压痕的压电制造系统（PMS），以克服这些限制。该系统结合了压电驱动的二维微定位平台（2D-MPS）和压痕制造模块（IMM），实现了30毫米×30毫米的加工范围以及最大9.25微米的压痕深度，用于制造微压痕阵列。2D-MPS集成了激光位移反馈机制，以实现大面积、高精度的定位。力控制加工策略利用压痕过程中的法向力作为反馈信号，确保在大范围内多个压痕的深度均匀，从而实现了从宏观到微观的平面微压痕结构的制造。系统在位移反馈和力控制模式下的加工性能得到了系统的表征。实验结果表明，该系统的定位误差低于2%，深度偏差小于200纳米。此外，还在铝合金表面上成功制造出了2毫米×2毫米的金字塔形微压痕阵列，并验证了其调节光学反射特性的能力。这些结果表明，所提出的PMS为制造具有大深度和宽加工区域的平面微压痕结构提供了一种有前景的方法。
引言
微阵列结构在航空航天[1]、生物医学工程[3][4][5]和光学系统[6][7]中得到了广泛应用，这得益于它们可调的亲水性和疏水性、摩擦与磨损特性、生物相容性以及光学功能[8][9]。为了制造这些结构，已经开发了许多基于机械[10]、热[11]、电[12][13][14]、光[12][14]和化学[12][14]加工技术的制造策略。例如，朱等人开发了一种压电驱动的快速伺服工具（FST），用于精密金刚石车削，能够生成高度规则的微结构表面[15]。薛等人利用维氏压头进行铣削，提出了一种用于制造变高度纳米光栅结构的加工策略，通过精确的旋转轨迹控制，在400纳米的间距内实现了高达220纳米的连续高度变化[16]。楚等人通过结合飞秒激光加工和化学修饰，制备了具有优异自清洁能力的抗反射硅表面，并成功制造了作为有效抗反射结构的微孔阵列[17]。徐等人利用激光干涉光刻技术结合干法和湿法刻蚀，制造出了大面积、均匀且高质量的亚微米倒金字塔阵列[18]。尽管这些制造技术具有强大的加工能力，但它们仍然受到多种因素的限制，包括材料限制、难以实现精确和一致的加工、能效低、依赖昂贵设备以及需要严格的环境条件。在各种现有的制造方法中，机械材料去除方法是最简单和最通用的方法之一。特别是基于纳米压痕的微制造技术近年来取得了显著进展[19][20]。例如，黄等人使用商用纳米压痕仪器在金属玻璃表面上制造了4×4的压痕阵列[21]；而张家伟等人在多晶金表面上使用类似的商用平台制备了7×7的纳米压痕阵列，用于制备SERS活性基底[22]。然而，这些研究中的有效加工范围仅限于几百微米。这一限制主要是由于商用纳米压痕系统最初是为微观/纳米尺度的机械表征设计的，而不是为了大面积制造，因此缺乏扩展加工范围的能力。为了克服这些限制，研究人员探索了多种策略来扩大加工区域和提高制造效率。全等人将电磁执行器与精密定位平台集成，实现了最高10赫兹的压痕阵列制造速度和最大6微米的压痕深度[23]。严等人将超精密车床与压电执行器结合，在多晶铜和Ni-P合金表面上制造出了直径500微米、深度20微米的球形压痕阵列[19]。在我们之前的工作中，我们提出了一种基于探针的、力控制的纳米压痕系统，通过探针在0°和45°方向旋转成功制造了压痕阵列[24]。
虽然这些研究主要依赖于现有设备的改造，但独立的替代系统提供了一种更简单、更紧凑、更高效且成本更低的直接构建微阵列结构的方法。例如，黄等人设计了一种三轴压电驱动的压痕装置，并在Ti6Al4V和Al1015表面上成功制备了3×3的压痕阵列[25]。然而，该系统在位移控制下以开环方式运行，加工过程对外部干扰和样品表面的平整度非常敏感，难以确保大深度压痕的均匀性。刘等人报道了一种压电制造系统，该系统将压电位移平台与压电机械臂结合，将微压痕阵列的加工范围扩展到了40毫米×40毫米[26]。然而，他们的系统也没有解决大规模加工中压痕深度一致性的问题。尽管许多学者对压电定位平台和微制造机制进行了广泛研究[27][28][29][30][31][32]，但在实际微压痕阵列制造技术的发展中，实现高精度定位和在大加工区域内保持一致的压痕深度仍然是一个关键问题。
为了解决这些问题，本研究提出了一种专门为大面积微压痕阵列制造设计的压电制造系统（PMS）。该系统将2D-MPS与宏微集成压痕制造模块（IMM）相结合。利用激光位移传感器在扩展的工作范围内实现高精度定位，并在压痕过程中使用法向力作为反馈信号。通过控制大范围内多个压痕的最大法向力，有效避免了样品平整度和外部干扰对压痕深度的影响，确保整个制造区域内压痕深度的均匀性。IMM由桥式弯曲铰链机构驱动，支持位移控制和力控制两种模式，实现了灵活和精确的加工操作。PMS的结构和工作原理在第II节中介绍。第III节建立了2D-MPS和IMM的理论模型。第IV节讨论了系统性能评估和实验结果，展示了PMS的加工能力。最后，第V节总结了本研究的结论。
章节摘录
结构描述
如图1(a)所示，压电制造系统（PMS）安装在一个精密空气悬浮平台上，并采用垂直结构框架来增强振动隔离和位置稳定性。PMS由两个主要子系统组成：二维微定位平台（2D-MPS）和压痕制造模块（IMM）。
在2D-MPS中，两个垂直安装的压电位移平台提供了XY方向上的平面运动，同时两个激光位移
理论建模与分析
2D-MPS的参数设计旨在确保稳定运行和宽范围的驱动能力。为了评估驱动性能，使用商业软件ANSYS对驱动机制进行了有限元（FE）分析。仿真设置如图3(a)所示。执行器按全尺寸建模。基座被指定为65Mn弹簧钢，而振荡器和驱动脚被定义为6061-T6铝合金。PZT的接触界面被设置为
实验设置
如图7(a)所示，建立了PMS测试平台来评估系统的加工性能。数据采集卡（USB7845R，National Instruments，美国）生成的模拟电压信号通过功率放大器（E00.A3，Core Tomorrow Science and Technology Co., Ltd.）放大，分别驱动IMM和压电定位平台。使用电容位移传感器（D-E20.050）测量了IMM和2D-MPS的位移响应
结论
开发了一种压电制造系统（PMS），该系统结合了最大行程为30毫米×30毫米的2D-MPS和配备单晶金刚石工具的IMM。通过协调2D-MPS的多轴运动而不是扫描工具尖端，有效扩展了加工范围。对两个子系统进行了静态建模和有限元仿真，实验验证得到了以下结果。
2D-MPS表现出线性
CRediT作者贡献声明
耿彦全：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取。杨欣：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件开发、方法论、数据分析、概念化。娄在珍：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究。贾博森：撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法论、研究。严永达：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（52035004, 52222512）的财政支持
杨欣1998年出生于中国宁夏。2012年在中国长沙的湖南大学机械与车辆工程学院获得车辆工程学士学位，2023年在中国成都的中国工程物理研究院获得机械制造与自动化硕士学位。他目前在中国哈尔滨工业大学攻读机电一体化工程博士学位。他的研究兴趣包括设计
