基于復(fù)合振動的粘著控制微操作技術(shù)及其實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、借助于微操作技術(shù)，人們可以隨意加工和組裝出三維MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)元件、操作微小生物對象或是移動微機(jī)器人系統(tǒng)，從而完成相應(yīng)的實(shí)踐活動。隨著微操作技術(shù)應(yīng)用廣泛涉及到微系統(tǒng)制造、顯微醫(yī)療、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)調(diào)整等重要領(lǐng)域，操作對象的特征尺寸的也在不斷減小，所造成的尺度效應(yīng)對微操作方法和微器件設(shè)計(jì)、制作提出了新的挑戰(zhàn)和要求。微作業(yè)工具做為微操作的重要部件，是連接微觀系統(tǒng)和宏觀系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2、MEMS技術(shù)以微機(jī)械系統(tǒng)為研究對象，可以用它實(shí)現(xiàn)極其微細(xì)的操作。其快速發(fā)展促進(jìn)了自動化技術(shù)、微小型機(jī)器人技術(shù)等在微觀世界內(nèi)的發(fā)展，給予了面向微操作作業(yè)的微小型機(jī)器人全方位的發(fā)展空間。
　　在國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目“微納尺度粘著機(jī)理、操作與控制的理論與方法”（項(xiàng)目編號50725518）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于動態(tài)粘著控制的微尺度對象操作機(jī)理及方法的研究”（項(xiàng)目編號50805040）資助和全面分析國內(nèi)外基于微操作方法和工具研究現(xiàn)

3、狀的基礎(chǔ)上，本文針對微操作的發(fā)展趨勢和微尺度操作的粘著問題，提出了一種基于粘著控制的動態(tài)微操作方法，并結(jié)合MEMS技術(shù)，研制出集結(jié)構(gòu)、驅(qū)動和力檢測于一體的硅基微型夾持工具用于實(shí)驗(yàn)研究。本文分別對微尺度操作機(jī)理及粘著控制、集成式MEMS微夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法、基于復(fù)合振動的微操作控制策略以及操作實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行深入的研究探討。
　　在微尺度操作機(jī)理及粘著控制方面，建立典型微操作模型，研究微觀粘著力的產(chǎn)生、計(jì)算和控制方法；分析拾取和

4、釋放過程中微觀粘著力的變化規(guī)律，建立微操作過程中粘著變化模型。在粘著模型基礎(chǔ)上，結(jié)合夾持方式的優(yōu)勢，提出復(fù)合振動的操作控制方法。研究振動頻率、操作加速度等動態(tài)參數(shù)與操作對象慣性力、粘著力之間的關(guān)系。建立操作加速度、粘著力之間的關(guān)系，得出微操作拾取和釋放條件下操作工具加速度動態(tài)指標(biāo)與操作效果的最佳匹配關(guān)系，解決微尺度對象釋放后的精確定位的問題。
　　在集成式MEMS微夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵工藝分析及實(shí)現(xiàn)方法方面，基于微操作工具結(jié)構(gòu)、驅(qū)

5、動和檢測一體化設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了集成式微夾持器。通過分析靜電梳齒驅(qū)動器致動機(jī)理，對微夾持器的驅(qū)動部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用材料力學(xué)原理，建立傾斜式“n”型柔性支撐梁的剛度模型并對驅(qū)動穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行建模分析，增加微操作工具的動態(tài)穩(wěn)定性；將有限元法用于微夾持器關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)分析，通過理論建模分析和仿真方法相結(jié)合，確定微夾持器的放大機(jī)構(gòu)和檢測梁的參數(shù)尺寸；同時將基于側(cè)壁壓阻式的力傳感器集成到微夾持臂上，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)力反饋。在工藝和實(shí)現(xiàn)方法方面，結(jié)合硅微機(jī)械加

6、工技術(shù)，制定出一套加工集成式微夾持器的加工工藝流程，通過反應(yīng)離子深刻蝕(DRIE)切割成型技術(shù)和離子注入技術(shù)相結(jié)合，成功地把基于壓阻效應(yīng)的力傳感器集成到微夾持器中。
　　在復(fù)合振動微操作控制策略以及操作實(shí)驗(yàn)方面，首先針對靜電致動器的特性對微夾持器的驅(qū)動電源進(jìn)行設(shè)計(jì)研究；并結(jié)合微操作中的特殊要求，對振動驅(qū)動電路和力檢測電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。利用壓電陶瓷微動平臺實(shí)現(xiàn)復(fù)合振動的操作控制，配合微夾持器的振動完成有效拾取和精確釋放。通過對微夾持器

7、系統(tǒng)動態(tài)模型和控制策略的分析得出微操作拾取和釋放控制方法。
　　最后建立基于粘著控制的微操作實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。首先對微夾持器進(jìn)行性能測試，對部分微夾持器進(jìn)行了疏水劑的封閉處理，為對比實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。針對微尺度對象作業(yè)，進(jìn)行了不同環(huán)境和條件下，不同體積的微靶球典型樣品的穩(wěn)定拾取、有效釋放和精確定位的實(shí)驗(yàn)研究；并對微操作中的影響因素進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)合微球操作實(shí)驗(yàn)，對微操作中主動避免微觀力干擾的必要性進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)，為微操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和微操作方法提