【摘要】：具有微納米尺度的結構和器件在微機械系統(tǒng)、傳感、通信和醫(yī)療等領域得到了越來越多的應用。本文面向其加工與制造技術,設計了用于探針z向運動的探針進給系統(tǒng)和樣品xy平面內運動的微納定位平臺,完成了三維微納加工系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)研究了三維微納加工系統(tǒng)整機、探針進給系統(tǒng)和微納定位平臺的靜動態(tài)特性。針對微納定位平臺壓電驅動器的遲滯特性,提出了基于改進Prandtl-Ishlinskii(P-I)逆模型的控制方法。利用光滑粒子流體動力學(SPH)方法進行了微納刻劃仿真,得到了刻劃過程中各項加工參數對加工質量的影響。據此,基于開發(fā)的三維微納加工系統(tǒng),實驗驗證了理論分析的正確性,實現了二維/三維微納結構的加工。全文主要研究工作如下:?提出了三維微納加工系統(tǒng)整機的設計方法,完成了三維微納加工系統(tǒng)的開發(fā)。分析了三維微納加工系統(tǒng)中兩大核心部件探針進給系統(tǒng)和微納定位平臺的靜動態(tài)特性。針對探針進給系統(tǒng),建立了電磁力理論模型,基于柔性梁柔度矩陣進行了探針支撐機構的剛度建模,探討了支撐機構厚度對靜動態(tài)特性的影響,提出了探針進給系統(tǒng)各項參數的測量與標定方法。針對微納定位平臺,結構上采用對稱式雙直圓形柔性鉸鏈實現了平臺的運動解耦,利用等效彈簧質量塊方法建立了平臺的剛度與動力學模型,優(yōu)化了平臺的柔性鉸鏈尺寸,并通過仿真和實驗方法驗證了理論分析的正確性。?提出了三維微納加工系統(tǒng)的整體控制策略�？紤]到微納定位平臺中壓電陶瓷驅動器的遲滯特性,研究了壓電陶瓷的遲滯建模和補償方法�；趥鹘y(tǒng)P-I遲滯模型,通過改變模型結構和引入變量建立了改進的P-I逆遲滯模型,優(yōu)化了P-I逆遲滯模型的閾值布置。與傳統(tǒng)逆模型比較,該逆模型有效提高了逆遲滯模型精度,且遏制了模型響應時間的延長�；诟倪M的P-I逆遲滯模型,依次設計了前饋控制器、前饋/反饋混合控制器和解耦的前饋/反饋混合控制器,完成了單向和雙向軌跡跟蹤實驗驗證,結果表明微納定位平臺的運動精度得到了有效提高。?在微納刻劃仿真研究中,依據刻劃深度的不同,分別建立了球冠圓錐尖端模型和球冠正三棱錐探針尖端幾何模型,理論分析了兩種模型在單次刻劃中探針-樣品接觸面在水平面的投影面積;建立了樣品的離散型粒子模型,利用光滑粒子流體動力學(SPH)仿真手段研究了刻劃參數以及探針幾何面角對刻劃結果的影響,為后續(xù)的微納結構加工實驗提供了參考依據。?基于開發(fā)的探針進給系統(tǒng)和微納定位平臺,搭建了三維微納加工系統(tǒng),開展了微納結構加工的實驗研究。通過微納溝槽的刻劃,研究了刻劃方向、法向力、刻劃次數、刻劃速度、進給量等工藝參數以及樣品材料特性對刻劃結果的影響�；谖⒓{溝槽的刻劃結果,優(yōu)選加工工藝參數,進而完成了三維微納結構的加工。
【圖文】：

技術主要通過掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微11]。其中，基于 AFM 的機械式微納刻劃具有加工工環(huán)境、樣品材料要求低等諸多優(yōu)點，因此受到 是為了微納表面形貌的測量而發(fā)明的，但是使用就可以對試件表面直接進行微納刻劃加工，加工SD 檢測器用于探針微懸臂梁的變形測量，其變形而決定加工深度，微動平臺按要求形狀進行掃描。早在上世紀 90 年代初期，Jin 就通過 AFM 在聚0nm 的溝槽和 6nm 深的凹坑[12]。之后，基于 AF迅速發(fā)展，Fang 研究了不同法向力和刻劃次數下hao 應用金剛石探針在單晶銅上成功的刻劃出了底上刻劃出了深度不足 1nm 的納米溝槽[15]。經過加工出了納米點、納米線以及三維微納結構，，加至幾個納米[16-21]。

圖 1-2 基于 AFM 的微納加工系統(tǒng)圖解Figure 1-2 Schematic of AFM-based micro/nano machining system探針機械刻劃，美國卡內基梅隆大學 Gozen 等對原子力顯微鏡合三自由度納米定位平臺研制了一臺三維納米加工系統(tǒng)，以納微納結構的加工[38]。結構如圖 1-3 所示，探針直接固定在三自器末端，避免了傳統(tǒng) AFM 探針懸臂的低剛度問題，通過壓電振現象完成探針與樣品的接觸檢測。在刻劃過程中，探針通過納米銑削過程。雖然銑削更益于材料的去除，但是也正式因為間運動，注定了刻劃寬度要大于探針的幾何寬度。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH703

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 姚達;劉欣;岳世忠;;半導體光刻技術及設備的發(fā)展趨勢[J];半導體技術;2008年03期

2 田延嶺;張大衛(wèi);閆兵;;二自由度微定位平臺的研制[J];光學精密工程;2006年01期

3 孫洪文,劉景全,陳迪,顧盼,楊春生;納米壓印技術[J];電子工藝技術;2004年03期

4 葛璜;電子束、離子束、光子束納米微細加工技術的進展[J];儀器儀表學報;1996年S1期

相關博士學位論文 前1條

1 秦巖丁;兩自由度精密定位平臺結構設計與運動控制[D];天津大學;2011年

本文編號：2660549