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器人作為一種典型的微機電裝置，具有體積小、重量輕、能耗低、集成度高、能夠進入一般機械系統(tǒng)無法進入的狹小作業(yè)空間進行檢測和維護等特點，在微納操作領域有著廣泛的應用前景。在微電子機械系統(tǒng)（MEMS）領域，伴隨著硅微機械加工技術的不斷發(fā)展，利用硅微機械加工技術制作的微小型機器人受到人們的廣泛關注并應用到各個領域，如數(shù)據(jù)儲存設備、光學設備、掃描探針顯微鏡（SPM）等，為微小型操作機器人的發(fā)展提供了新的研究與發(fā)展方向，已成為

2、國內外諸多公司、研究機構以及高校一個新的研究熱點，其發(fā)展的最終目標是構建以微小型操作機器人為基礎的片上微納操作系統(tǒng)。
　　在國家“863”計劃項目“典型微納米尺度構件操作的關鍵技術研究（項目編號2007AA04Z315）”資助和全面分析國內外基于硅基微型定位系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎上，本文針對微納米操作領域的技術特點及發(fā)展趨勢，提出了一種集結構、驅動和位移檢測于一體的硅基微型平面定位平臺結構，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)了驅動、結構、檢測一體化的設計思想；同時提出了一種用于面內位移檢測的側壁壓阻式位移傳感器的結構設計。本文分別對微型 XY定位系統(tǒng)的靜電驅動器特性、集成式定位平臺結構設計、集成式定位平臺關鍵工藝分析及實現(xiàn)方法、微型XY定位系統(tǒng)控制策略等方面進行深入的研究探討。
　　在靜電梳齒驅動器和平臺動態(tài)特性分析方面，在分析靜電梳齒驅動器致動機理的基礎上，建立驅動器兩種主要的動態(tài)失效模型；同時考慮空氣阻尼對定位平臺動態(tài)特性的影響，利

4、用能量守恒原理對平臺的最大運行速率、最大過沖位移、臨界驅動電壓等動態(tài)特性進行分析，為結構設計和實驗研究提供了理論依據(jù)。
　　在硅基集成式微型XY定位平臺的結構設計方面，基于平臺結構、驅動和檢測一體化設計理念，設計了集成式微型XY定位平臺。通過對靜電驅動梳齒電極結構的特殊設計提高了平臺的驅動效率；利用彈性力學原理，分別建立彈性柔性支撐梁的剛度模型并對位移進行建模分析；將有限元法用于平臺關鍵部件的結構分析，通過理論建模分析和仿真方法相

5、結合，確定定位平臺結構參數(shù)尺寸；通過對彈性無間隙柔性支撐梁的優(yōu)化設計，在改善定位平臺動態(tài)特性和驅動梳齒穩(wěn)定性的同時也提高了平臺驅動效率。同時將基于側壁壓阻式的位移傳感器集成到定位平臺上，實現(xiàn)閉環(huán)位置反饋。
　　在基于體硅工藝側壁壓阻式位移傳感器的設計方面，采用 DRIE切割成型技術將壓阻制作在檢測梁的垂直側壁表面，提高了檢測面內運動時位移傳感器的靈敏度。利用材料力學分析方法對傳感器的彈性檢測梁進行受力分析，結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鍵性能指標分析，給出了壓阻結構最優(yōu)的尺寸參數(shù)，優(yōu)化了影響壓阻性能的關鍵工藝參數(shù)，并在理論分析的基礎上提出了硅微位移傳感器的結構設計準則。
　　在硅基集成式微型XY定位平臺關鍵工藝與實現(xiàn)方法方面，結合硅微機械加工技術，制定出一套加工集成式微型XY定位平臺的加工工藝流程，詳細分析了 DRIE刻蝕技術的工作原理及加工過程中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，對平臺加工過程中的關鍵工藝進行詳細地分析并給出有效的解決方法。通

7、過對關鍵加工工藝的分析與研究，提高了加工后平臺結構尺寸的一致性。提出了一種基于DRIE切割成型技術和離子注入技術相結合的垂直側壁表面壓阻加工技術，對工藝的具體流程進行詳細的分析與介紹，并利用該工藝成功地把基于壓阻效應的位移傳感器集成到定位平臺中。
　　在定位系統(tǒng)的驅動和控制方面，首先針對靜電致動器的致動特性對定位系統(tǒng)驅動電源進行設計研究；然后在對集成式定位平臺電學特性和機械力學特性理論分析基礎上建立定位系統(tǒng)的完整數(shù)學模型；最后針對

8、硅工藝加工的定位平臺模型不精確性，設計了單神經元自適應 PID控制器，有效的提高了系統(tǒng)的動態(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)的實驗系統(tǒng)。綜合上述研究結果對定位系統(tǒng)進行性能測試和實驗研究。結果表明系統(tǒng)具有整體體積小、能耗低和定位精度高等特點，也驗證了集成式定位平臺設計前期理論分析的正確性及垂直側壁表面壓阻加工技術的有效性。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)的設計