三维微纳加工系统的设计及实验研究

发布时间：2020-05-12 16:59

【摘要】：具有微纳米尺度的结构和器件在微机械系统、传感、通信和医疗等领域得到了越来越多的应用。本文面向其加工与制造技术,设计了用于探针z向运动的探针进给系统和样品xy平面内运动的微纳定位平台,完成了三维微纳加工系统的开发。系统研究了三维微纳加工系统整机、探针进给系统和微纳定位平台的静动态特性。针对微纳定位平台压电驱动器的迟滞特性,提出了基于改进Prandtl-Ishlinskii(P-I)逆模型的控制方法。利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行了微纳刻划仿真,得到了刻划过程中各项加工参数对加工质量的影响。据此,基于开发的三维微纳加工系统,实验验证了理论分析的正确性,实现了二维/三维微纳结构的加工。全文主要研究工作如下:?提出了三维微纳加工系统整机的设计方法,完成了三维微纳加工系统的开发。分析了三维微纳加工系统中两大核心部件探针进给系统和微纳定位平台的静动态特性。针对探针进给系统,建立了电磁力理论模型,基于柔性梁柔度矩阵进行了探针支撑机构的刚度建模,探讨了支撑机构厚度对静动态特性的影响,提出了探针进给系统各项参数的测量与标定方法。针对微纳定位平台,结构上采用对称式双直圆形柔性铰链实现了平台的运动解耦,利用等效弹簧质量块方法建立了平台的刚度与动力学模型,优化了平台的柔性铰链尺寸,并通过仿真和实验方法验证了理论分析的正确性。?提出了三维微纳加工系统的整体控制策略。考虑到微纳定位平台中压电陶瓷驱动器的迟滞特性,研究了压电陶瓷的迟滞建模和补偿方法。基于传统P-I迟滞模型,通过改变模型结构和引入变量建立了改进的P-I逆迟滞模型,优化了P-I逆迟滞模型的阈值布置。与传统逆模型比较,该逆模型有效提高了逆迟滞模型精度,且遏制了模型响应时间的延长。基于改进的P-I逆迟滞模型,依次设计了前馈控制器、前馈/反馈混合控制器和解耦的前馈/反馈混合控制器,完成了单向和双向轨迹跟踪实验验证,结果表明微纳定位平台的运动精度得到了有效提高。?在微纳刻划仿真研究中,依据刻划深度的不同,分别建立了球冠圆锥尖端模型和球冠正三棱锥探针尖端几何模型,理论分析了两种模型在单次刻划中探针-样品接触面在水平面的投影面积;建立了样品的离散型粒子模型,利用光滑粒子流体动力学(SPH)仿真手段研究了刻划参数以及探针几何面角对刻划结果的影响,为后续的微纳结构加工实验提供了参考依据。?基于开发的探针进给系统和微纳定位平台,搭建了三维微纳加工系统,开展了微纳结构加工的实验研究。通过微纳沟槽的刻划,研究了刻划方向、法向力、刻划次数、刻划速度、进给量等工艺参数以及样品材料特性对刻划结果的影响。基于微纳沟槽的刻划结果,优选加工工艺参数,进而完成了三维微纳结构的加工。
【图文】：

表面形貌,刻划机

技术主要通过扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微11]。其中，基于 AFM 的机械式微纳刻划具有加工工环境、样品材料要求低等诸多优点，因此受到是为了微纳表面形貌的测量而发明的，但是使用就可以对试件表面直接进行微纳刻划加工，加工SD 检测器用于探针微悬臂梁的变形测量，其变形而决定加工深度，微动平台按要求形状进行扫描。早在上世纪 90 年代初期，Jin 就通过 AFM 在聚0nm 的沟槽和 6nm 深的凹坑[12]。之后，基于 AF迅速发展，Fang 研究了不同法向力和刻划次数下hao 应用金刚石探针在单晶铜上成功的刻划出了底上刻划出了深度不足 1nm 的纳米沟槽[15]。经过加工出了纳米点、纳米线以及三维微纳结构，，加至几个纳米[16-21]。

加工系统,探针

图 1-2 基于 AFM 的微纳加工系统图解Figure 1-2 Schematic of AFM-based micro/nano machining system探针机械刻划，美国卡内基梅隆大学 Gozen 等对原子力显微镜合三自由度纳米定位平台研制了一台三维纳米加工系统，以纳微纳结构的加工[38]。结构如图 1-3 所示，探针直接固定在三自器末端，避免了传统 AFM 探针悬臂的低刚度问题，通过压电振现象完成探针与样品的接触检测。在刻划过程中，探针通过纳米铣削过程。虽然铣削更益于材料的去除，但是也正式因为间运动，注定了刻划宽度要大于探针的几何宽度。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH703

【参考文献】