一、前言

　　奈米科技(Nano Science and Technology, NST)是操控原子、分子，以創造出各種可能應用新面貌的一種科技。奈米定位的精度界限，一般認定是介於100奈米到0.1奈米的原子尺寸間。由於國內機械產業的研發方向為精密機械技術，微機電技術與奈米加工技術。而精密機械發展趨勢為高效能化、高精密化、資訊化及綠色環保化。在產品發展方面，則應以創造親人性化、易操作且低成本的精密機械為主。以國內現有資源來說，精密工具機、半導體製程設備、LCD製程設備及精密成形製程設備等四項技術，為精密機械領域發展的重點；至於注重超精密化、細微化的微機電與奈米加工技術，則屬創新前瞻的發展方向。另外，此一發展方向，很適合做為國內機械產業廠商轉型及升級的契機，同時也與國內高科技電子資訊、通訊光電發展利基不謀而合。由於人類對微小化元件的殷切需求，已由微米 (10–6 m) 進入了奈米 (10–9 m) 範圍的時代，在面臨廿一世紀高科技發展的競爭中，奈米技術將是國家高科技發展政策中不可或缺的一環。

二、目的及重要性

　　 針對奈米微定位平台控制系統，提出創新的定位方式，大幅提升奈米微定位平台控制系統的定位精度達到奈米程度，將使奈米微定位平台控制系統達到長行程位移的應用領域;並提供新興科技產業低成本之高精度的定位技術，以提升其競爭力。精密微定位平台將可應用於各式系統中，如工具機、精密加工機、光纖與波導器自動對準系統、三次元量測儀、掃瞄式穿隧電流顯微儀、掃瞄式探針顯微儀、及原子力顯微儀等。

三、設計原理及分析

　　首先建立定位平台剛體機構模組，配合機構與平台設計三自由度定位平台，利用平板彈性支撐平台、放大位移機構及較小的積層式壓電致動器為主要結構，將平台之彈性常數與幾何尺寸參數化，並利用田口方法訂出最佳化尺寸。並根據新尺寸配合 ANSYS分析，以估計加工誤差及各軸間彼此干涉可能帶來的定位精度誤差大小，並加工製造微奈米定位平台。圖1所示為定位平台設計架構。

2. 導引彈簧

導引彈簧主要目的是當壓電致動器驅動時，提供位移及作用力，產生之位移經導引彈簧的導引，使工作平台與固定座達到相對的位移效果;圖3(a)所示為當懸臂簡支梁受一負荷時，所產生的位移可視為一般線性，其計算式為： ;圖3(b)所示為當將懸臂簡支梁運用到導引彈簧，當S = L/2時，其計算式為：

3. SR放大機構

　　Scott-Russell(SR)位移放大機構如下圖4所示，採用一體成型的方式製成，其中位移放大的方式為趨近線性放大，將壓電陶瓷致動器置於SR的輸入端，當壓電陶瓷致動器產生位移變形時，SR放大機構的輸出端，將會隨壓電陶瓷致動器變形位移而產生線性位移放大，其SR放大機構可提供特殊輸出位移，及可用於高精度或是長行程的應用中。由圖4(a)知，當B沿y方向移動時，D點即沿著X方向做直線運動且 ，其中△x為D點X座標之變化量，△Y為B點Y座標之變化量;假設△Y為輸入， △x為輸出，可將上式化為:



當△Y→0時，

因此，當B點在Y方向上做一微量位移變動時，可在D點得到一放大倍率 –cotθ之X方向位移量。

　　　　 　　
圖4 　　　(a) SR機構示意圖 　　　(b) SR機構模型圖 　　　　(c) SR機構模擬圖

4. 槓桿放大機構

　　槓桿型放大器結構如圖5所示，由圖5(b)可知，當壓電致動器於輸入端產生微量的位移△X時，輸出端經由槓桿機構可得到n△X的位移量;其中槓桿放大機構是最具效能的放大器，且可提供較大行程，但輸出路徑呈現些微弧形，對於要求線性輸出的高精度應用較不適合。

　　　　　　　
圖5　　 (a) 槓桿機構示意圖 　　　　　(b) 槓桿機構模擬圖　　　(c)槓桿ANSYS作動圖

5. 肘節機構

　　肘節機構如圖6所示，肘節機構的複雜度較SR機構低，且機構的剛性較槓桿機構高，肘節機構本身可得到較高機械效益，輸出位移的直線度佳，適用於對稱型結構中及要求高精度的應用。以一對稱輸入之肘節機構的輸入位移與輸出位移的關係如圖6(a)所示， ，三點座標分別為A(xs ,0)、C(xp ,yp) 及B(-xs ,0)，由幾何關係可得，若△Xs → 0時可得
　
　，故放大倍率為-1/tanθ，而且P點因為左右兩邊對稱的緣故不再有側向偏移的誤差產生。

6. 尺寸最佳化設計

　　田口方法（Taguchi method），是一種用來改善品質的工程方法，產品設計的重心在於產品概念的選擇和參數的最佳化，這可藉由降低重要的品質特性之變異，田口設計可降低變異或使系統對變異不敏感，這樣做可降低成本提高品質，而不需要以高成本的方法來控制品質，其最終目的是節省更多的成本。

　　田口方法也是眾多方法中的一個有效率的方法，以實物為主的設計研究，並以實際製程、生產方法的研究中心，故其在現性會比較好。此法為一個統計上的最佳化方法，對於欲決定特定幾個設計參數時，有著快速、有效率、無收斂問題的優點。

　　田口方法的二個主要工具為直交表和S/N 比，強調的重點在於產品或製程設計時就考慮品質問題，亦即如何降低產品績效間的變化。田口方法最大的貢獻，並不在於實驗設計的數學模式，而是提供了一個新的思考哲學觀念，其基本概念為:

(a) 品質不是檢驗出來的，品質必須設計到產品裡面去。
(b) 品質是要最小化(與目標值之間的偏差)，並且免於不可控制的環境因素之影響。
(c) 品質成本應以與標準值偏移的函數關係來衡量。

有關靜態特性問題的參數設計流程如圖7所示。

7. ANSYS有限元素分析

　　有限元素法是一個數值的程序，可以用來求解像是包含應力分析、振動分析等廣泛的工程問題，有很多實際的工程問題我們無法獲得精確解，這種難以獲得解答可歸因於複雜的統御微分方程式或是難以處理的邊界和初始條件，要處理這類的問題，只能訴諸於數值的近似值。與解析解做對比，解析解顯示系統內任一點精確的行為，它可應用到各種的工程問題上以獲得解答。穩態、暫態、線性或非線性問題的應力分析等問題，都可以用有限元素法來分析。如圖8所示為一個單獨SR機構，經由ANSYS電腦模擬當SR機構被壓電陶瓷驅動時的移動方式;而圖9至圖11所示為一定位平台，其結構為四個角落各連結一個相同的平板彈簧，當平台受到外力驅動時，可導引平板彈簧平衡平台的移動位移，及去除外力時可使平台回復到原來的位置，且圖9至圖11分別以三種不同的驅動力去驅動平台，分別為直接壓電驅動、SR機構驅動及槓桿機構驅動，由圖即可比較出平台在不同機構下驅動的移動情形。
　

　　圖12所示為三自由度微/奈米精密定位平台，包括三個SR線性放大機構、三組壓電陶瓷致動器、三組導引平板彈簧組、XYθz之三角位移平台及三角平台之固定底座；其利用壓電陶瓷致動器的微量位移，及材料本身受力產生之彈性變形原理，配合SR線性放大機構，並以撓性鉸鏈轉換成三角定位平台之線性位移及旋轉量，使三自由度XYθz微/奈米精密定位平台達到XYθz三軸之定位目標。

　　圖13所示SR精密切削刀具機構，其主體包括SR切削刀具機構、刀具夾持固定座、感測器固定座、壓電致動器螺帽固定座、壓電致動器、位移感測器及碳化鎢刀片等六項;此切削刀具以車削、銑削及線切割加工方法完成，製造出一切削刀具機構主體，及SR撓性鉸鏈切削刀具機構、壓電致動器螺帽固定座、刀具夾持固定座，運用感測器、電腦及壓電致動器來控制刀具切削運動。

四、奈米定位技術的應用

　　奈米定位技術不僅用於科學領域上的研發，事實上在我們的日常生活上，已不知不覺地享受到奈米定位技術所帶來的成果。例如，電腦之硬式磁碟機讀取頭的快速定位控制，畫值清晰之DVD驅動裝置等。其它之應用例，如表1所示，包含超精密加工機、半導體製程之露光裝置等，這些裝置是集廣泛基礎技術的大成，設備費動輒上億台幣，而其核心技術，仍以超精密定位技術為主軸。