硅基集成式微型平面納米級定位系統(tǒng)的研究.pdf

1、面向微納操作的微小型機(jī)器人作為一種典型的微機(jī)電裝置，具有體積小、重量輕、能耗低、集成度高、能夠進(jìn)入一般機(jī)械系統(tǒng)無法進(jìn)入的狹小作業(yè)空間進(jìn)行檢測和維護(hù)等特點(diǎn)，在微納操作領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域，伴隨著硅微機(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展，利用硅微機(jī)械加工技術(shù)制作的微小型機(jī)器人受到人們的廣泛關(guān)注并應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，如數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備、光學(xué)設(shè)備、掃描探針顯微鏡（SPM）等，為微小型操作機(jī)器人的發(fā)展提供了新的研究與發(fā)展方向，已成為

2、國內(nèi)外諸多公司、研究機(jī)構(gòu)以及高校一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，其發(fā)展的最終目標(biāo)是構(gòu)建以微小型操作機(jī)器人為基礎(chǔ)的片上微納操作系統(tǒng)。
　　在國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“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）”資助和全面分析國內(nèi)外基于硅基微型定位系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文針對微納米操作領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢，提出了一種集結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和位移檢測于一體的硅基微型平面定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)，研制出一種基于硅基集成式的片上微型 XY定位

3、系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、檢測一體化的設(shè)計(jì)思想；同時(shí)提出了一種用于面內(nèi)位移檢測的側(cè)壁壓阻式位移傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文分別對微型 XY定位系統(tǒng)的靜電驅(qū)動(dòng)器特性、集成式定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、集成式定位平臺(tái)關(guān)鍵工藝分析及實(shí)現(xiàn)方法、微型XY定位系統(tǒng)控制策略等方面進(jìn)行深入的研究探討。
　　在靜電梳齒驅(qū)動(dòng)器和平臺(tái)動(dòng)態(tài)特性分析方面，在分析靜電梳齒驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立驅(qū)動(dòng)器兩種主要的動(dòng)態(tài)失效模型；同時(shí)考慮空氣阻尼對定位平臺(tái)動(dòng)態(tài)特性的影響，利

4、用能量守恒原理對平臺(tái)的最大運(yùn)行速率、最大過沖位移、臨界驅(qū)動(dòng)電壓等動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)。
　　在硅基集成式微型XY定位平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，基于平臺(tái)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和檢測一體化設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了集成式微型XY定位平臺(tái)。通過對靜電驅(qū)動(dòng)梳齒電極結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)提高了平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)效率；利用彈性力學(xué)原理，分別建立彈性柔性支撐梁的剛度模型并對位移進(jìn)行建模分析；將有限元法用于平臺(tái)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

5、結(jié)合，確定定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸；通過對彈性無間隙柔性支撐梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在改善定位平臺(tái)動(dòng)態(tài)特性和驅(qū)動(dòng)梳齒穩(wěn)定性的同時(shí)也提高了平臺(tái)驅(qū)動(dòng)效率。同時(shí)將基于側(cè)壁壓阻式的位移傳感器集成到定位平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置反饋。
　　在基于體硅工藝側(cè)壁壓阻式位移傳感器的設(shè)計(jì)方面，采用 DRIE切割成型技術(shù)將壓阻制作在檢測梁的垂直側(cè)壁表面，提高了檢測面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)位移傳感器的靈敏度。利用材料力學(xué)分析方法對傳感器的彈性檢測梁進(jìn)行受力分析，結(jié)合壓阻檢測原理確定壓阻

6、的最優(yōu)排布方式。通過對位移傳感器的關(guān)鍵性能指標(biāo)分析，給出了壓阻結(jié)構(gòu)最優(yōu)的尺寸參數(shù)，優(yōu)化了影響壓阻性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)，并在理論分析的基礎(chǔ)上提出了硅微位移傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
　　在硅基集成式微型XY定位平臺(tái)關(guān)鍵工藝與實(shí)現(xiàn)方法方面，結(jié)合硅微機(jī)械加工技術(shù)，制定出一套加工集成式微型XY定位平臺(tái)的加工工藝流程，詳細(xì)分析了 DRIE刻蝕技術(shù)的工作原理及加工過程中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，對平臺(tái)加工過程中的關(guān)鍵工藝進(jìn)行詳細(xì)地分析并給出有效的解決方法。通

7、過對關(guān)鍵加工工藝的分析與研究，提高了加工后平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸的一致性。提出了一種基于DRIE切割成型技術(shù)和離子注入技術(shù)相結(jié)合的垂直側(cè)壁表面壓阻加工技術(shù)，對工藝的具體流程進(jìn)行詳細(xì)的分析與介紹，并利用該工藝成功地把基于壓阻效應(yīng)的位移傳感器集成到定位平臺(tái)中。
　　在定位系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和控制方面，首先針對靜電致動(dòng)器的致動(dòng)特性對定位系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)研究；然后在對集成式定位平臺(tái)電學(xué)特性和機(jī)械力學(xué)特性理論分析基礎(chǔ)上建立定位系統(tǒng)的完整數(shù)學(xué)模型；最后針對

8、硅工藝加工的定位平臺(tái)模型不精確性，設(shè)計(jì)了單神經(jīng)元自適應(yīng) PID控制器，有效的提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定精度。
　　最后建立硅基集成式微型XY定位系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。綜合上述研究結(jié)果對定位系統(tǒng)進(jìn)行性能測試和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明系統(tǒng)具有整體體積小、能耗低和定位精度高等特點(diǎn)，也驗(yàn)證了集成式定位平臺(tái)設(shè)計(jì)前期理論分析的正確性及垂直側(cè)壁表面壓阻加工技術(shù)的有效性。本文的研究工作為下一步片上微納操作系統(tǒng)及基于掃描電子顯微鏡（SEM）下納米操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)