Diseño de un posicionador nanométrico con amplificación de recorrido

Abstract

Un posicionador nanométrico permite realizar desplazamientos de algunos micrones con resolución de nanómetros. Generalmente se utiliza un actuador piezoeléctrico para generar el movimiento y una estructura flexible o “flexure stage” para su guiado. Los actuadores piezoeléctricos se caracterizan por generar esfuerzos altos con bajas deformaciones (0,1 % de su longitud) y resolución teórica ilimitada. En aplicaciones donde se requieren recorridos mayores al desplazamiento útil del piezoeléctrico, se utilizan amplificaciones mecánicas del tipo brazo de palanca o puente. El diseño apropiado del sistema de amplificación es de fundamental importancia para lograr el desplazamiento deseado. El proceso de diseño es aún más complejo cuando hay requerimientos de alta velocidad de actuación para lo cual la masa del sistema debe mantenerse baja. Sin embargo la rigidez del mecanismo de amplificación debe ser suficiente para evitar deformaciones que afecten al desplazamiento final. En este trabajo se presenta el diseño de un posicionador nanométrico con amplificación mecánica del tipo brazo de palanca. Se utiliza un actuador piezoeléctrico y un sistema tipo flexure stage para el guiado del movimiento. A partir del modelo analítico se obtienen las dimensiones iniciales y la masa para el cual el recorrido es máximo en función de las principales variables como relación geométrica de amplificación, rigidez del sistema de guiado y del actuador y frecuencia natural del conjunto. Utilizando estos parámetros se procede al modelado y estudio del posicionador utilizando el método de elementos finitos. Se observa el efecto de los vínculos flexibles y de la deformación del mecanismo de amplificación en la reducción del recorrido final. También se obtienen los modos normales de vibración del conjunto.