用于SEM微纳操作的粘滑驱动精密运动定位台的研究

纳米技术的突破性发展激发了人们将其工业化的愿望，只有通过纳米制造技术才能物化纳米科学技术并将其应用于人们的日常生活。由于纳米尺度制造的难度和限制，从纳米科学到纳米技术以及产业化的过程受到了阻碍，因此有必要对纳米制造基础领域进行研究。作为一维纳米材料，纳米线具有卓越的电学、力学、热学性质，在未来的工业应用中具备极大的潜力和前景，因此发展面向纳米线的纳米操作装备具有重要的研究意义。近年来出现了许多以扫描探针显微镜和电子显微镜为平台的纳米操作装备。由于扫描电子显微镜（SEM）具有实时观测能力、充足的真空室空间、可集成多种定位装置和检测装置等特点，基于SEM的微纳操作系统成为实现纳米三维操作与装配的理想方案之一。 本文在国家高技术研究发展计划（863计划）“典型微纳米尺度构件操作的关键技术研究”（项目编号：2007AA04Z315）和国家自然科学基金重大研究计划项目“纳米结构与器件跨尺度三维操作与互连的基础研究”（项目编号：90923041）资助下，研制了一套粘滑驱动定位台，利用粘滑驱动定位台建立了基于SEM的微纳操作系统，并进行了纳米线拾取释放的三维操作。本文分别对粘滑驱动定位台设计、动力学建模与分析、驱动控制系统设计等方面进行了深入的研究。 在粘滑驱动定位台设计方面，根据SEM下微纳操作的环境和技术要求，采用粘滑驱动原理和模块化概念设计了三种不同定位方式的精密定位台。三种粘滑驱动定位台可分别实现水平定位、垂直定位和旋转定位，均采用压电致动器作为驱动元件。用于水平和垂直定位的粘滑驱动定位台采用平板柔性铰链结构实现位移驱动，该结构既可以实现定位台的小型化，同时也可以解决狭小空间下对压电致动器的预紧。用于旋转定位的粘滑驱动定位台采用十字对称柔性铰链结构实现位移驱动，该结构可以有效限制旋转中心的径向位移。针对三种粘滑驱动定位台的结构，设计了无磁性的摩擦力调节机构。 在粘滑驱动定位台动力学建模与分析方面，分别建立了三种粘滑驱动定位台的动力学模型。对粘滑驱动定位台的压电致动器进行了物理建模，采用等效质量和弹性阻尼单元来描述压电致动器的机械效应。为准确描述预滑动摩擦现象并解决复杂摩擦模型不利于数值计算的问题，提出了一种基于饱和函数的多状态变量摩擦模型来描述粘滑驱动定位台中的摩擦力。该摩擦模型在预滑动状态下具有非局部记忆特性且不存在位移漂移问题，能够准确描述粘滑驱动定位台精密定位和步进定位时的摩擦力变化。根据所建立的动力学模型，分别从精密定位和步进定位两方面对所设计的粘滑驱动定位台进行了仿真分析。获得了各参数对粘滑驱动定位台性能的影响规律，并优选了粘滑驱动定位台的结构参数。 在驱动控制系统设计方面，分别对驱动器、控制器和人机交互程序进行了设计研究。根据粘滑驱动原理和定位技术要求，研制了一种电压与电流混合控制的驱动器。通过开关可切换实现两种控制方式，分别用于粘滑驱动定位台的精密定位和大行程步进定位。对驱动器输出的稳定性和热扩散进行了计算与分析。基于DSP设计研制了一个用于产生粘滑驱动控制信号的控制器。该控制器集成具有14位分辨率的高速串行D/A转换模块。D/A转换模块最多可扩展为6个，模块间采用菊花链式连接，可实现控制器多达6个通道的并行输出。为提高操作效率，设计了驱动控制系统的人机交互程序。根据不同应用情况，操作者可通过人机交互程序实现对粘滑驱动定位台的软件或手柄控制。 在粘滑驱动定位台性能测试与及纳米操作实验研究方面，分别对驱动控制系统性能测试、粘滑驱动定位台性能测试、针形末端操作工具制备和纳米线操作进行了实验研究。驱动控制系统的测试性能主要包括输出分辨率、输出精度、线性度、阶跃响应时间和全功率锯齿波响应等参数。粘滑驱动定位台的测试性能主要包括三种粘滑驱动定位台的位移分辨率、最小步长、重复定位精度、最大速度、载荷能力等参数。为制备适应SEM操作环境的末端操作工具，建立了基于电化学腐蚀方法的探针制备系统。在粘滑驱动定位台及其驱动控制系统的基础上，通过系统集成完成基于SEM微纳操作系统的建立。对单根纳米线进行了二维和三维纳米操作，提出了一种利用残留杂质电子束引导沉积进行纳米线拾取释放的三维操作方法，进一步验证了所设计粘滑驱动定位台的实用性。