【摘要】：納米定位平臺(tái)可提供納米級(jí)運(yùn)動(dòng)分辨率和定位精度,在集成電路制造、超精密加工等前沿領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。以壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及柔順平臺(tái)組成的納米定位平臺(tái)系統(tǒng)在精密定位技術(shù)、掃描探針顯微技術(shù)以及微操作等高精密加工技術(shù)中發(fā)揮著重要的作用。近年來納米制造技術(shù)等領(lǐng)域的高速發(fā)展,對(duì)納米定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建模、辨識(shí)、運(yùn)動(dòng)控制以及應(yīng)用等多方面關(guān)鍵技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。本論文以壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)為對(duì)象,針對(duì)其中的柔順平臺(tái)設(shè)計(jì)、包含非線性遲滯環(huán)節(jié)的動(dòng)力學(xué)建模與解耦辨識(shí)、軌跡跟蹤及定位控制,以及納米定位平臺(tái)在具體的納米壓印技術(shù)中的應(yīng)用展開研究。首先,提出了基于卡式第二定理的柔性鉸鏈平臺(tái)分析及設(shè)計(jì)方法。利用該方法展開靜力學(xué)分析,并獲得平臺(tái)剛度矩陣的解析表達(dá)式。在此基礎(chǔ)之上建立系統(tǒng)拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程,針對(duì)平臺(tái)剛度及自由度間的耦合度進(jìn)行了尺寸優(yōu)化。針對(duì)納米定位平臺(tái)“遲滯+線性+時(shí)滯”環(huán)節(jié)構(gòu)成的動(dòng)力學(xué)模型,分析了各環(huán)節(jié)間在辨識(shí)工作中的耦合關(guān)系�；诼薀o關(guān)基本假設(shè)及諧波線性化等方法,提出了一套解耦辨識(shí)策略。針對(duì)Bouc-Wen非線性環(huán)節(jié)辨識(shí)方法有限且辨識(shí)效率較低等不足,提出一種直接積分法,求解獲得模型輸出與待辨識(shí)參數(shù)間的半解析表達(dá),并采用基于梯度的優(yōu)化方法進(jìn)行辨識(shí),提高了計(jì)算效率。采用諧波線性化方法估算線性環(huán)節(jié)的實(shí)際輸入,辨識(shí)獲得更準(zhǔn)確的線性環(huán)節(jié)參數(shù)。提出了一種基于微分求積方法的時(shí)滯環(huán)節(jié)辨識(shí)方法。通過辨識(shí)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了解耦辨識(shí)策略及針對(duì)各環(huán)節(jié)辨識(shí)方法的有效性和優(yōu)越性。為進(jìn)一步提高納米定位平臺(tái)的定位精度及動(dòng)態(tài)性能,設(shè)計(jì)了一種時(shí)滯控制器。采用本文提出的直接積分法,對(duì)包含時(shí)滯控制器的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析,獲得系統(tǒng)輸出的半解析表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)Floquet穩(wěn)定性判據(jù)計(jì)算獲得控制器參數(shù)穩(wěn)定域,并利用多層共軛梯度優(yōu)化方法在參數(shù)穩(wěn)定域內(nèi)獲得最優(yōu)控制參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的時(shí)滯控制器可在保證響應(yīng)速度的同時(shí)提高定位精度。將納米定位平臺(tái)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于納米壓印技術(shù)中。開發(fā)了一套紫外照射納米壓印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。針對(duì)傳統(tǒng)納米壓印裝備中,用于實(shí)現(xiàn)模板與基片間的平行對(duì)準(zhǔn)的被動(dòng)式機(jī)構(gòu)剛度較低,回轉(zhuǎn)中心位置限制較嚴(yán)格等不足,利用本文提出的平臺(tái)設(shè)計(jì)及分析方法,設(shè)計(jì)了一種具有力感覺功能的主動(dòng)式姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)。通過力傳感器監(jiān)測(cè)獲得信息推算模板與基片間的角度偏差,并通過六自由度微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)調(diào)整模板姿態(tài),提高平行度。對(duì)納米壓印精對(duì)準(zhǔn)過程進(jìn)行了建模,采用本文提出的解耦辨識(shí)策略獲得了壓印精對(duì)準(zhǔn)過程動(dòng)力學(xué)模型,并設(shè)計(jì)了控制器。展開納米壓印實(shí)驗(yàn),可實(shí)現(xiàn)最小30 nm的圖案轉(zhuǎn)移,平行度誤差15 nm。從而驗(yàn)證了本文提出的設(shè)計(jì)、辨識(shí)以及控制方法在實(shí)際納米定位應(yīng)用中的有效性。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH703.65;TB383.1

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本文編號(hào)：2630198