用于SEM微納操作的粘滑驅(qū)動精密運動定位臺的研究.pdf

1、納米技術的突破性發(fā)展激發(fā)了人們將其工業(yè)化的愿望，只有通過納米制造技術才能物化納米科學技術并將其應用于人們的日常生活。由于納米尺度制造的難度和限制，從納米科學到納米技術以及產(chǎn)業(yè)化的過程受到了阻礙，因此有必要對納米制造基礎領域進行研究。作為一維納米材料，納米線具有卓越的電學、力學、熱學性質(zhì)，在未來的工業(yè)應用中具備極大的潛力和前景，因此發(fā)展面向納米線的納米操作裝備具有重要的研究意義。近年來出現(xiàn)了許多以掃描探針顯微鏡和電子顯微鏡為平臺的納米操作

2、裝備。由于掃描電子顯微鏡（SEM）具有實時觀測能力、充足的真空室空間、可集成多種定位裝置和檢測裝置等特點，基于SEM的微納操作系統(tǒng)成為實現(xiàn)納米三維操作與裝配的理想方案之一。
　　本文在國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）“典型微納米尺度構(gòu)件操作的關鍵技術研究”（項目編號：2007AA04Z315）和國家自然科學基金重大研究計劃項目“納米結(jié)構(gòu)與器件跨尺度三維操作與互連的基礎研究”（項目編號：90923041）資助下，研制了一套粘滑驅(qū)

3、動定位臺，利用粘滑驅(qū)動定位臺建立了基于SEM的微納操作系統(tǒng)，并進行了納米線拾取釋放的三維操作。本文分別對粘滑驅(qū)動定位臺設計、動力學建模與分析、驅(qū)動控制系統(tǒng)設計等方面進行了深入的研究。
　　在粘滑驅(qū)動定位臺設計方面，根據(jù)SEM下微納操作的環(huán)境和技術要求，采用粘滑驅(qū)動原理和模塊化概念設計了三種不同定位方式的精密定位臺。三種粘滑驅(qū)動定位臺可分別實現(xiàn)水平定位、垂直定位和旋轉(zhuǎn)定位，均采用壓電致動器作為驅(qū)動元件。用于水平和垂直定位的粘滑驅(qū)動定

4、位臺采用平板柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)位移驅(qū)動，該結(jié)構(gòu)既可以實現(xiàn)定位臺的小型化，同時也可以解決狹小空間下對壓電致動器的預緊。用于旋轉(zhuǎn)定位的粘滑驅(qū)動定位臺采用十字對稱柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)位移驅(qū)動，該結(jié)構(gòu)可以有效限制旋轉(zhuǎn)中心的徑向位移。針對三種粘滑驅(qū)動定位臺的結(jié)構(gòu)，設計了無磁性的摩擦力調(diào)節(jié)機構(gòu)。
　　在粘滑驅(qū)動定位臺動力學建模與分析方面，分別建立了三種粘滑驅(qū)動定位臺的動力學模型。對粘滑驅(qū)動定位臺的壓電致動器進行了物理建模，采用等效質(zhì)量和彈性阻尼單元

5、來描述壓電致動器的機械效應。為準確描述預滑動摩擦現(xiàn)象并解決復雜摩擦模型不利于數(shù)值計算的問題，提出了一種基于飽和函數(shù)的多狀態(tài)變量摩擦模型來描述粘滑驅(qū)動定位臺中的摩擦力。該摩擦模型在預滑動狀態(tài)下具有非局部記憶特性且不存在位移漂移問題，能夠準確描述粘滑驅(qū)動定位臺精密定位和步進定位時的摩擦力變化。根據(jù)所建立的動力學模型，分別從精密定位和步進定位兩方面對所設計的粘滑驅(qū)動定位臺進行了仿真分析。獲得了各參數(shù)對粘滑驅(qū)動定位臺性能的影響規(guī)律，并優(yōu)選了粘滑

6、驅(qū)動定位臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　在驅(qū)動控制系統(tǒng)設計方面，分別對驅(qū)動器、控制器和人機交互程序進行了設計研究。根據(jù)粘滑驅(qū)動原理和定位技術要求，研制了一種電壓與電流混合控制的驅(qū)動器。通過開關可切換實現(xiàn)兩種控制方式，分別用于粘滑驅(qū)動定位臺的精密定位和大行程步進定位。對驅(qū)動器輸出的穩(wěn)定性和熱擴散進行了計算與分析。基于DSP設計研制了一個用于產(chǎn)生粘滑驅(qū)動控制信號的控制器。該控制器集成具有14位分辨率的高速串行D/A轉(zhuǎn)換模塊。D/A轉(zhuǎn)換模塊最多可擴

7、展為6個，模塊間采用菊花鏈式連接，可實現(xiàn)控制器多達6個通道的并行輸出。為提高操作效率，設計了驅(qū)動控制系統(tǒng)的人機交互程序。根據(jù)不同應用情況，操作者可通過人機交互程序?qū)崿F(xiàn)對粘滑驅(qū)動定位臺的軟件或手柄控制。
　　在粘滑驅(qū)動定位臺性能測試與及納米操作實驗研究方面，分別對驅(qū)動控制系統(tǒng)性能測試、粘滑驅(qū)動定位臺性能測試、針形末端操作工具制備和納米線操作進行了實驗研究。驅(qū)動控制系統(tǒng)的測試性能主要包括輸出分辨率、輸出精度、線性度、階躍響應時間和全功

8、率鋸齒波響應等參數(shù)。粘滑驅(qū)動定位臺的測試性能主要包括三種粘滑驅(qū)動定位臺的位移分辨率、最小步長、重復定位精度、最大速度、載荷能力等參數(shù)。為制備適應SEM操作環(huán)境的末端操作工具，建立了基于電化學腐蝕方法的探針制備系統(tǒng)。在粘滑驅(qū)動定位臺及其驅(qū)動控制系統(tǒng)的基礎上，通過系統(tǒng)集成完成基于SEM微納操作系統(tǒng)的建立。對單根納米線進行了二維和三維納米操作，提出了一種利用殘留雜質(zhì)電子束引導沉積進行納米線拾取釋放的三維操作方法，進一步驗證了所設計粘滑驅(qū)動定位