基于硅基微位移檢測的精密

基于硅基微位移檢測的精密定位工作臺學生姓名：趙鑫指導教師：王武義、榮偉彬陳立國課題來源及研究的目的和意義課題來源：國家863計劃項目“面向亞毫米尺度微小器件作業(yè)的微操作機器人關鍵技術研究”的一部分。研究的目的及意義：目前常見的微進給機構一般是利用彈性變形、直線電機、機械傳動、電磁力和壓電陶瓷等實現(xiàn)微進給。壓電陶瓷以其響應快、易于微型化、重復性好、分辨率高、剛度好、無磁場干擾等優(yōu)點在微進給中得到了廣泛的應用。但是由于壓電陶瓷具有遲滯、蠕變、溫度影響等非線性誤差，需要對其進行閉環(huán)控制。目前對壓電陶瓷控制方法主要分為兩大類：一是電壓控制，其中包括前饋電壓控制（采用各課題來源及研究的目的和意義課題來源及研究的目的和意義種壓電模型）和反饋電壓控制（采用各種傳感器）；二是電荷控制，其中也包括了前饋電荷控制（充電電荷控制）和反饋電荷控制（充電電荷被測量和控制）。隨著反饋元件的發(fā)展和壓電陶瓷模型的不斷完善，電壓控制方法尤其是反饋電壓控制方法在現(xiàn)在占有主導作用。現(xiàn)在廣泛應用的電感式、電阻應變片式和電容式傳感器由于傳感器自身結構尺寸或者后續(xù)處理電路復雜等原因，都不能進一步實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化和小型化。因此采用集成度更高、結構尺寸更小的壓阻硅基傳感器。國外研究的現(xiàn)狀

以壓電陶瓷為致動器的納米級定位平臺的研究在國外已有30多年的歷史了，最早是美國國家標準局應用于航天技術中。現(xiàn)在以德國和日本的研究最具有代表性。例如：德國的PI公司、PZ公司以及PJ公司的研究早已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，定型的產(chǎn)品種類繁多，并且已具有應用于專用領域的平臺。目前發(fā)展的方向有兩個：實現(xiàn)更大的位移和更高的定位精度。在傳感器方面主要是電感式、電阻應變片式和電容式幾種。國外研究的現(xiàn)狀國外研究的現(xiàn)狀國內研究的現(xiàn)狀隨著納米技術在國內的快速發(fā)展，我國對壓電陶瓷致動微位移機構的研究也極為重視，并取得了一定的成果。近年來，清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學、長春光機所、廣東工業(yè)大學、合肥工業(yè)大學等都對壓電陶瓷驅動微位移機構原理及性能改善進行了卓有成效的研究。目前實現(xiàn)產(chǎn)品化的只有哈爾濱工業(yè)大學博實精密測控公司和中國電子科技集團公司第26所。在傳感器的使用上也主要是電感式、電阻應變片式和電容式幾種。

國內研究的現(xiàn)狀國內外研究現(xiàn)狀分析1、電感式傳感器是接觸式的傳感器，其測頭必須與被測物體接觸，而且不能超出測量范圍。對微小位移測量來說，其安裝調試比較麻煩，而且如果測頭的軸線在測量過程中發(fā)生偏擺還會引入誤差。電感式傳感器的測量精度和分辨率是這三種傳感器中最低的。其電感線圈的抗干擾能力也很差，因此現(xiàn)在采用的不是很多。

國內外研究現(xiàn)狀分析國內外研究現(xiàn)狀分析2、電阻應變片式傳感器作為檢測元件時，微定位系統(tǒng)的附加結構簡單，甚至不需要附加結構，對工作環(huán)境的要求相對較低。但是，由于應變片的溫度穩(wěn)定性較差以及受其靈敏度的限制，其定位分辨率相對較低，一般難于達到l0nm以內。電阻應變片式傳感器在微小位移測量中有兩種應用方式：一是將其集成在壓電陶瓷的側面，對壓電陶瓷的位移量進行檢測，這種方式形成的控制系統(tǒng)是半閉環(huán)，定位精度不會很高；二是將其集成在工作臺的柔性鉸鏈上，通過檢測鉸鏈的變形來換算工作臺的位移量，這種方式形成的控制系統(tǒng)雖然是全閉環(huán)，但是由于電阻應變片的粘貼工藝的影響，定位精度也不是很高。國內外研究現(xiàn)狀分析國內外研究現(xiàn)狀分析3、電容傳感器的定位精度和分辨率都要高于電阻應變片式和電感式。電容傳感器雖然可提高壓電陶瓷執(zhí)行器微定位系統(tǒng)的定位精度和分辨率，但同時也使微定位系統(tǒng)的結構較復雜，安裝調試很麻煩，而且它對工作環(huán)境的要求也較苛刻，這主要表現(xiàn)在：電容傳感器的初始電容較小，而其極板和周圍導體所構成的寄生電容以及由電纜所引起的分布電容卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度，另一方面這些電容往往是隨機變化的，從而使傳感器不能穩(wěn)定工作；電容傳感器是高阻抗元件，易受外界靜電場和交變電磁場的干擾而產(chǎn)生測量誤差。硅基作傳感器的優(yōu)點1、無機械回滯，因為硅在彈性變形前就會失效；2、蠕變特性好，單晶硅的蠕變效應在10/百萬個零件的量級；3、靈敏度高，對于常規(guī)的金屬應變片來說，應變靈敏度系數(shù)在1的量級，而硅的壓阻效應將硅的應變量的靈敏度系數(shù)增加到100的量級。目前硅基傳感器在壓力和加速度測量方面已經(jīng)廣泛應用，而在位移測量上還沒有先例，所以將硅基傳感器應用于位移測量是個創(chuàng)新點。主要研究內容1、設計集成壓阻硅基傳感器的精密定位平臺根據(jù)臺體運動行程范圍、陶瓷的尺寸、臺體剛度等指標進行臺體的結構設計，并對壓阻硅基傳感器的結構尺寸、剛度等提出要求。然后通過ANSYS軟件進行力學、臺體形變、振動模態(tài)及運動學的仿真分析，對臺體結構進行改進，確定最終的結構形式，進行加工。其中臺體與傳感器的連接是一個工作的難點。主要研究內容2、基于MEMS工藝設計集成壓阻硅基傳感器了解和熟悉MEMS加工及封裝的工藝，根據(jù)工藝要求和工作臺提出的結構剛度要求來指導壓阻硅基傳感器的設計。通過數(shù)學建模計算與ANSYS軟件仿真分析，找到壓阻硅基傳感器應力變化最大的位置，作為加工壓阻的位置。使用專用軟件對壓阻進行仿真分析，找到最佳的壓阻形式。然后根據(jù)版圖設計規(guī)則，確定加工工藝步驟進行加工。主要研究內容3、根據(jù)設計出的壓阻硅基傳感器來設計傳感器的處理電路首先要設計壓阻的接口電路，并將其集成在硅梁上；其次，根據(jù)將要采用的傳感器個數(shù)以及傳感器加工的一致性情況，設計處理電路，搭建電橋，并作適當?shù)恼{整，人為實現(xiàn)傳感器的一致。壓阻接口電路的引線以及與后續(xù)處理電路的連接也將是一個工作的難點。主要研究內容4、搭建控制系統(tǒng)，進行傳感器標定和性能檢測以傳統(tǒng)的PID控制技術來創(chuàng)建控制模型，搭建控制系統(tǒng)。用激光干涉儀作為標定檢測設備，對壓阻硅基傳感器進行標定和檢測，并盡力建立起應力與位移之間的數(shù)學關系，確定線性測量范圍。根據(jù)實驗結果，再對傳感器及臺體的設計進行改進和完善。預期的目標

運動自由度1個（X軸）臺體行程10um位移分辨率5nm重復定位精度10nm研究方案系統(tǒng)的流程如下：由壓電陶瓷驅動電源驅動壓電陶瓷產(chǎn)生位移，壓電陶瓷推動平臺使柔性鉸鏈發(fā)生形變從而產(chǎn)生位移，壓阻式硅基傳感器在鉸鏈梁應力變化最大處進行測量，并通過轉換得到位移量，然后將位移信號傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再根據(jù)位移量進行判斷，調整驅動電源的輸出電壓，來調節(jié)壓電陶瓷的位移量。這樣就可以做到實時控制，減小了壓電陶瓷自身非線性和周圍環(huán)境影響造成的誤差，提高了定位的精度。整個控制系統(tǒng)流程如圖。研究方案控制系統(tǒng)流程框圖研究方案實現(xiàn)方案如下：首先根據(jù)臺體運動行程范圍、陶瓷的尺寸、臺體剛度等指標對臺體進行結構設計，并對壓阻硅基傳感器提出結構尺寸和剛度等要求，對臺體進行加工；根據(jù)工作臺設計提出的要求確定壓阻硅基傳感器的結構尺寸，然后對硅梁進行數(shù)學建模，初步確定梁上應力變化最大處；在ANSYS軟件中進行梁的建模檢驗，最終確定梁應力變化最大的位置為壓阻的加工位置，根據(jù)軟件的仿真分析，最終確定壓阻的具體形式并進行加工；設計傳感器的后續(xù)處理電路和系統(tǒng)的控制模塊；最后搭建起實驗系統(tǒng)，作實驗對傳感器進行標定和檢測，根據(jù)實驗結果進行適當?shù)母倪M，完善系統(tǒng)。實現(xiàn)方案示意圖如圖。研究方案選用的壓電陶瓷型號：德國PZ公司的PST150/5×5/18柔性鉸鏈數(shù)學建模計算傳動副采用對稱結構的平行板式柔性鉸鏈機構，既能保證很好的輸出位移線性度，又能抵抗非進給方向上的外加載荷的影響，其整體的精度比其它鉸鏈結構要好，更適合在精密定位中的應用。柔性鉸鏈的剛度是一個很重要的參數(shù)指標，它直接影響工作臺的靜動態(tài)特性。如果剛度太小，會降低工作臺的固有頻率，減慢其響應速度，減弱其抗干擾能力，而且在運動過程中也會產(chǎn)生很大的過沖現(xiàn)象。如果剛度太大，會對壓電陶瓷造成過大的壓力，從而使微進給工作臺實際輸出位移減小。柔性鉸鏈數(shù)學建模計算平行板柔性鉸鏈結構圖柔性鉸鏈數(shù)學建模計算壓電陶瓷在彈性載荷作用下的實際位移輸出

柔性鉸鏈數(shù)學建模計算圖中A曲線為壓電陶瓷在自由狀態(tài)下的靜態(tài)特性曲線，B曲線為壓電陶瓷在彈性載荷作用下的靜態(tài)特性曲線，可見壓電陶瓷在彈性載荷作用下的實際輸出位移：在使用壓電陶瓷時，為使其在工作過程中一直保持可靠接觸，提高各接觸面的接觸剛度，應對其施加一定的預緊力。從圖4,可見壓電陶瓷受到的預緊力：由于預緊力的作用，壓電陶瓷的零點將發(fā)生偏移：柔性鉸鏈數(shù)學建模計算由于外部彈性載荷使壓電陶瓷位移變化量：要求微進給工作臺的行程大于10μm,設計取行程為15μm，則彈性鉸鏈的剛度為：硅梁數(shù)學建模計算惠斯通電橋橋臂電壓公式：是傳感器橋臂的輸出電壓，取最小的輸出可辨電壓為0.2mv，可求得硅梁數(shù)學建模計算由可求得查得硅的斷裂強度為有（）從而有硅梁數(shù)學建模計算可得從而取取L=1000um,則H=100um但是經(jīng)過ANSYS仿真分析發(fā)現(xiàn)最大應力為，硅梁已經(jīng)折斷，故需要調整尺寸。取L=1000um,則H=50um，通過仿真分析優(yōu)化最后確定L=2000um,H=220um研究方案一臺體的應力分布仿真分析臺體的位移形變仿真分析臺體的模態(tài)分析工作臺*****INDEXOFDATASETS