用于SEM微納操作的粘滑驅(qū)動(dòng)精密運(yùn)動(dòng)定位臺(tái)的研究.pdf

1、納米技術(shù)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(guò)納米制造技術(shù)才能物化納米科學(xué)技術(shù)并將其應(yīng)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(xué)到納米技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程受到了阻礙，因此有必要對(duì)納米制造基礎(chǔ)領(lǐng)域進(jìn)行研究。作為一維納米材料，納米線(xiàn)具有卓越的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)，在未來(lái)的工業(yè)應(yīng)用中具備極大的潛力和前景，因此發(fā)展面向納米線(xiàn)的納米操作裝備具有重要的研究意義。近年來(lái)出現(xiàn)了許多以?huà)呙杼结橈@微鏡和電子顯微鏡為平臺(tái)的納米操作

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

3、動(dòng)定位臺(tái)，利用粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)建立了基于SEM的微納操作系統(tǒng)，并進(jìn)行了納米線(xiàn)拾取釋放的三維操作。本文分別對(duì)粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)建模與分析、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了深入的研究。
　　在粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)設(shè)計(jì)方面，根據(jù)SEM下微納操作的環(huán)境和技術(shù)要求，采用粘滑驅(qū)動(dòng)原理和模塊化概念設(shè)計(jì)了三種不同定位方式的精密定位臺(tái)。三種粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)可分別實(shí)現(xiàn)水平定位、垂直定位和旋轉(zhuǎn)定位，均采用壓電致動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)元件。用于水平和垂直定位的粘滑驅(qū)動(dòng)定

4、位臺(tái)采用平板柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)位移驅(qū)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)既可以實(shí)現(xiàn)定位臺(tái)的小型化，同時(shí)也可以解決狹小空間下對(duì)壓電致動(dòng)器的預(yù)緊。用于旋轉(zhuǎn)定位的粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)采用十字對(duì)稱(chēng)柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)位移驅(qū)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)可以有效限制旋轉(zhuǎn)中心的徑向位移。針對(duì)三種粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了無(wú)磁性的摩擦力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
　　在粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)動(dòng)力學(xué)建模與分析方面，分別建立了三種粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)的壓電致動(dòng)器進(jìn)行了物理建模，采用等效質(zhì)量和彈性阻尼單元

5、來(lái)描述壓電致動(dòng)器的機(jī)械效應(yīng)。為準(zhǔn)確描述預(yù)滑動(dòng)摩擦現(xiàn)象并解決復(fù)雜摩擦模型不利于數(shù)值計(jì)算的問(wèn)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(lái)描述粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)中的摩擦力。該摩擦模型在預(yù)滑動(dòng)狀態(tài)下具有非局部記憶特性且不存在位移漂移問(wèn)題，能夠準(zhǔn)確描述粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)精密定位和步進(jìn)定位時(shí)的摩擦力變化。根據(jù)所建立的動(dòng)力學(xué)模型，分別從精密定位和步進(jìn)定位兩方面對(duì)所設(shè)計(jì)的粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)進(jìn)行了仿真分析。獲得了各參數(shù)對(duì)粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)性能的影響規(guī)律，并優(yōu)選了粘滑

6、驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　在驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，分別對(duì)驅(qū)動(dòng)器、控制器和人機(jī)交互程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。根據(jù)粘滑驅(qū)動(dòng)原理和定位技術(shù)要求，研制了一種電壓與電流混合控制的驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)開(kāi)關(guān)可切換實(shí)現(xiàn)兩種控制方式，分別用于粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)的精密定位和大行程步進(jìn)定位。對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出的穩(wěn)定性和熱擴(kuò)散進(jìn)行了計(jì)算與分析?；贒SP設(shè)計(jì)研制了一個(gè)用于產(chǎn)生粘滑驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)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(kuò)

7、展為6個(gè)，模塊間采用菊花鏈?zhǔn)竭B接，可實(shí)現(xiàn)控制器多達(dá)6個(gè)通道的并行輸出。為提高操作效率，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互程序。根據(jù)不同應(yīng)用情況，操作者可通過(guò)人機(jī)交互程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)的軟件或手柄控制。
　　在粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)性能測(cè)試與及納米操作實(shí)驗(yàn)研究方面，分別對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)性能測(cè)試、粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)性能測(cè)試、針形末端操作工具制備和納米線(xiàn)操作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的測(cè)試性能主要包括輸出分辨率、輸出精度、線(xiàn)性度、階躍響應(yīng)時(shí)間和全功

8、率鋸齒波響應(yīng)等參數(shù)。粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)的測(cè)試性能主要包括三種粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)的位移分辨率、最小步長(zhǎng)、重復(fù)定位精度、最大速度、載荷能力等參數(shù)。為制備適應(yīng)SEM操作環(huán)境的末端操作工具，建立了基于電化學(xué)腐蝕方法的探針制備系統(tǒng)。在粘滑驅(qū)動(dòng)定位臺(tái)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)系統(tǒng)集成完成基于SEM微納操作系統(tǒng)的建立。對(duì)單根納米線(xiàn)進(jìn)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(dǎo)沉積進(jìn)行納米線(xiàn)拾取釋放的三維操作方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)粘滑驅(qū)動(dòng)定位