【摘要】：具有微納米尺度的結(jié)構(gòu)和器件在微機(jī)械系統(tǒng)、傳感、通信和醫(yī)療等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。本文面向其加工與制造技術(shù),設(shè)計(jì)了用于探針z向運(yùn)動的探針進(jìn)給系統(tǒng)和樣品xy平面內(nèi)運(yùn)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(jī)、探針進(jìn)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(qū)動器的遲滯特性,提出了基于改進(jìn)Prandtl-Ishlinskii(P-I)逆模型的控制方法。利用光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)方法進(jìn)行了微納刻劃仿真,得到了刻劃過程中各項(xiàng)加工參數(shù)對加工質(zhì)量的影響。據(jù)此,基于開發(fā)的三維微納加工系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性,實(shí)現(xiàn)了二維/三維微納結(jié)構(gòu)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(jī)的設(shè)計(jì)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(jìn)給系統(tǒng)和微納定位平臺的靜動態(tài)特性。針對探針進(jìn)給系統(tǒng),建立了電磁力理論模型,基于柔性梁柔度矩陣進(jìn)行了探針支撐機(jī)構(gòu)的剛度建模,探討了支撐機(jī)構(gòu)厚度對靜動態(tài)特性的影響,提出了探針進(jìn)給系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的測量與標(biāo)定方法。針對微納定位平臺,結(jié)構(gòu)上采用對稱式雙直圓形柔性鉸鏈實(shí)現(xiàn)了平臺的運(yùn)動解耦,利用等效彈簧質(zhì)量塊方法建立了平臺的剛度與動力學(xué)模型,優(yōu)化了平臺的柔性鉸鏈尺寸,并通過仿真和實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)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(qū)動器的遲滯特性,研究了壓電陶瓷的遲滯建模和補(bǔ)償方法�；趥鹘y(tǒng)P-I遲滯模型,通過改變模型結(jié)構(gòu)和引入變量建立了改進(jìn)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(yīng)時(shí)間的延長。基于改進(jìn)的P-I逆遲滯模型,依次設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明微納定位平臺的運(yùn)動精度得到了有效提高。?在微納刻劃仿真研究中,依據(jù)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(xué)(SPH)仿真手段研究了刻劃參數(shù)以及探針幾何面角對刻劃結(jié)果的影響,為后續(xù)的微納結(jié)構(gòu)加工實(shí)驗(yàn)提供了參考依據(jù)。?基于開發(fā)的探針進(jìn)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(jié)構(gòu)加工的實(shí)驗(yàn)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(shù)、刻劃速度、進(jìn)給量等工藝參數(shù)以及樣品材料特性對刻劃結(jié)果的影響�；谖⒓{溝槽的刻劃結(jié)果,優(yōu)選加工工藝參數(shù),進(jìn)而完成了三維微納結(jié)構(gòu)的加工。
【圖文】：

技術(shù)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(jī)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(diǎn)，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(jìn)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(jìn)行掃描。早在上世紀(jì) 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，F(xiàn)ang 研究了不同法向力和刻劃次數(shù)下hao 應(yīng)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(jīng)過加工出了納米點(diǎn)、納米線以及三維微納結(jié)構(gòu)，，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(jī)械刻劃，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué) 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(jié)構(gòu)的加工[38]。結(jié)構(gòu)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(xiàn)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?yàn)殚g運(yùn)動，注定了刻劃寬度要大于探針的幾何寬度。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH703

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2660549