压电陶瓷驱动纳米定位平台的设计、分析与应用

发布时间：2020-04-17 00:07

【摘要】：纳米定位平台可提供纳米级运动分辨率和定位精度,在集成电路制造、超精密加工等前沿领域具有广泛的应用。以压电陶瓷驱动器及柔顺平台组成的纳米定位平台系统在精密定位技术、扫描探针显微技术以及微操作等高精密加工技术中发挥着重要的作用。近年来纳米制造技术等领域的高速发展,对纳米定位平台的设计、建模、辨识、运动控制以及应用等多方面关键技术提出了挑战。本论文以压电陶瓷驱动纳米定位平台为对象,针对其中的柔顺平台设计、包含非线性迟滞环节的动力学建模与解耦辨识、轨迹跟踪及定位控制,以及纳米定位平台在具体的纳米压印技术中的应用展开研究。首先,提出了基于卡式第二定理的柔性铰链平台分析及设计方法。利用该方法展开静力学分析,并获得平台刚度矩阵的解析表达式。在此基础之上建立系统拉格朗日动力学方程,针对平台刚度及自由度间的耦合度进行了尺寸优化。针对纳米定位平台“迟滞+线性+时滞”环节构成的动力学模型,分析了各环节间在辨识工作中的耦合关系。基于率无关基本假设及谐波线性化等方法,提出了一套解耦辨识策略。针对Bouc-Wen非线性环节辨识方法有限且辨识效率较低等不足,提出一种直接积分法,求解获得模型输出与待辨识参数间的半解析表达,并采用基于梯度的优化方法进行辨识,提高了计算效率。采用谐波线性化方法估算线性环节的实际输入,辨识获得更准确的线性环节参数。提出了一种基于微分求积方法的时滞环节辨识方法。通过辨识实验,验证了解耦辨识策略及针对各环节辨识方法的有效性和优越性。为进一步提高纳米定位平台的定位精度及动态性能,设计了一种时滞控制器。采用本文提出的直接积分法,对包含时滞控制器的闭环系统进行分析,获得系统输出的半解析表达式。在此基础上,根据Floquet稳定性判据计算获得控制器参数稳定域,并利用多层共轭梯度优化方法在参数稳定域内获得最优控制参数。通过实验,验证了本文所设计的时滞控制器可在保证响应速度的同时提高定位精度。将纳米定位平台相关技术应用于纳米压印技术中。开发了一套紫外照射纳米压印实验系统。针对传统纳米压印装备中,用于实现模板与基片间的平行对准的被动式机构刚度较低,回转中心位置限制较严格等不足,利用本文提出的平台设计及分析方法,设计了一种具有力感觉功能的主动式姿态调整机构。通过力传感器监测获得信息推算模板与基片间的角度偏差,并通过六自由度微运动平台调整模板姿态,提高平行度。对纳米压印精对准过程进行了建模,采用本文提出的解耦辨识策略获得了压印精对准过程动力学模型,并设计了控制器。展开纳米压印实验,可实现最小30 nm的图案转移,平行度误差15 nm。从而验证了本文提出的设计、辨识以及控制方法在实际纳米定位应用中的有效性。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH703.65;TB383.1

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本文编号：2630198