An Electromagnetic-Piezoelectric Hybrid Actuated Nanopositioner for Atomic Force Microscopy

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作者
Lingwen Tan,Xiangyuan Wang,Qi Yu,Bocheng Yu,Yixuan Meng,Linlin Li,Xinquan Zhang,Limin Zhu
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:73: 1-13 被引量:25
标识
DOI:10.1109/tim.2024.3379426
摘要

An electromagnetic-piezoelectric hybrid actuated nanopositioner for atomic force microscopy (AFM) is proposed. Applying the hybrid serial-parallel-kinetic design, the parallel xy -stage is actuated by the normal-stressed electromagnetic actuators to conduct planar scanning in a large scope. The z -axis is serially carried by the xy -stage and is actuated by a piezoelectric actuator (PEA) to track the sample's topography with high speed. Moreover, a novel flexure mechanism is proposed for motion guidance and decoupling of the xy -stage, featuring the higher resonant frequency along the x -axis to satisfy the requirement of a faster planar axis in AFM imaging. The analytical model of the nanopositioner is established to optimally determine the parameters, and the results are verified by finite-element analysis. A prototype is fabricated and tested. Experimental results demonstrate that the triaxial strokes of 94.4 μm (x-axis), 102.8 μm ( y -axis), and 5.22 μm ( z -axis) are achieved, and the resonant frequencies are identified as 735 Hz ( x -axis), 650 Hz ( y -axis), and 6340 Hz ( z -axis), respectively. The implemented feedback controllers ensure the accuracy of high-speed trajectory tracking. Finally, the AFM imaging based on the proposed nanopositioner is conducted, confirming its effectiveness for large-scope and high-rate AFM imaging.
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