（机械制造及其自动化专业论文）聚合物微纳结构热压印及操作机械手改进研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 聚合物热压印法可以大批量重复地在大面积上制备微纳米图形结构，是一种低制作 成本和高生产效率的方法，可广泛用于制作纳米图案和m e m s 器件。本文的主要研究 内容如下： 在理解热压印原理基础上进行了纳米栅型结构器件和微结构光栅的制作实验。采用 一种新的热压印工艺方法在硅基片p m m a 薄膜上成功制作了具有最大线宽9 8 0 r i m ，最 小线宽7 1 r i m 多种线宽尺寸的纳米栅型结构；分析了热压印温度和脱模温度对纳米栅型 结构图形复制质量的影响。实验结果表明：在热压印温度1 1 0 1 2 0 ，脱模温度6 0 - 7 0 条件下可以获得较好的图形复制质量，高温脱模有利于减少模板微沟槽内的 p m m a 残留物。最后，在对纳米热压印工艺改进的基础上，制作了微结构光栅器件。 操作机械手是实现高性能微流控芯片生产自动化、批量化的重要组成部分。在现有 位置控制系统的基础上，采用基于力外环的机器人力控制方案，建立了一种“力外环包 容位置环 的力反馈控制系统。设计了用于实现芯片搬运的末端执行器，通过分析简化 力学模型讨论了摩擦力对测力过程的影响；然后对力反馈控制系统进行了建模分析，设 计了一个系统辨别器来实现力位置控制模式的切换。实验表明，此操作机械手力控制系 统的控制精度符合设计要求，具有良好适应性。 从操作机械手与外界环境碰撞保护的角度进行了安全性设计研究。设计了一种能够 感知碰撞发生信号，基于继电器和电磁制动器实现机器人保护的碰撞保护装置，计算分 析了本装置对芯片操作机械手定位精度的影响。实验表明，此装置能够精密控制前冲惯 性位移小于l m m ，适应性强，不影响操作机械手定位精度，有利于提高微流控芯片自 动化制作系统的自动化水平。 关键词：微纳结构；热压印；操作机械手；力控制；碰撞保护 聚合物微纳结构热压印及操作机械手改进研究 r e s e a r c ho nh o te m b o s s i n ga n dm a n i p u l a t o ri m p r o v e m e n tf o rp o l y m e r m i c r o n a n of a b r i c a t i o n a b s t r a c t h o te m b o s s i n gc a l lr e p l i c a t em i c r o n a n os c a l ep a t t e r n sr e p e a t e d l yi nal a r g ea r e aw i t h r e a s o n a b l eu n i f o r m i t y a sar e s u l t ，h o te m b o s s i n gh a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si no b t a i n i n g n a n o s t r u c t u r e sa n df a b r i c a t i n gm i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) w i t hl o wc o s ta n d 1 1 i g ht h r o u g h p u t 1 1 1 em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： t h ee x p e r i m e n t so fl l a n og r a t i n gs t r u c t u r ea n dm i c r o ng r a t i n gf a b r i c a t i o na r ec o n d u c t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fh o te m b o s s i n gp r i n c i p l e t h e nan o v e lm e t h o do fh o te m b o s s i n g l i t h o g r a p h yf o rm u l t i p l en a n os c a l el i n e w i d t hm o u l d sw a se x p e r i m e n t e d n a n os c a l eg r a t i n g s t r u c t u r e sw h i c hh a v ef r o m9 8 0 n mt o71 n ml i n e w i d t hf e a t u r e sw e r ef a b r i c a t e do nt h ep m m a ( p o l y m e rm e t h y lm e t h a c r y l a t e ) f i l ml a y e rw i t hs i l i c o ns u b s t r a t eb yu s i n gt h ea b o v e m e n t i o n e d n ee f f e c t so fh o te m b o s s i n gt e m p e r a t u r ea n dd e m o u l d i n gt e m p e r a t u r eo nr e p l i c a t i n gq u a l i t y o ft h en a n op a t t e r nw e r ea l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a th i g h e r d e m o u l d i n gt e m p e r a t u r ei sm o r ef a v o r a b l et ol e s s e np m m a l e f t o v e rf r o mm o u l da n di m p r o v e t h ed u p l i c a t i o nq u a l i t y t h es a t i s f i e dd u p l i c a t i o nq u a l i t yo fm u l t i p l en a n ob a rs t r u c t u r e sc a nb e a c h i e v e dw h e nb o t hh o te m b o s s i n gt e m p e r a t u r ei s 1io * c 12 5 ca n dd e m o u l d i n g t e m p e r a t u r e i s6 5 c 7 5 f i n a l l y , t h em i c r o ng a t i n gw a sf a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l yb y i m p r o v i n gt h eh o te m b o s s i n gt e c h n i cf o rm u l t i p l en a n og r a t i n gs t r u c t u r e m a n i p u l a t o ri so n eo ft h ei m p o r t a n te l e m e n t sf o rp o l y m e rm i c r o f l u i d i cc h i pf a b r i c a t i o n t oa c h i e v eb a t c hp r o d u c t i o na n da u t o m a t i o n b a s e du p o nt h ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e ma n df o r c e o u t e rl o o pc o n t r o lm e t h o d ，t h ef o r c ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sf e a t u r e dw i t hf o r c e o u t e rl o o pa n dp o s i t i o nl o o pw a sd e s c r i b e d f i r s t ，t h ee n de f f e c t o rw h i c hi su s e dt oi m p l e m e n t c h i pt r a n s i tw a sd e s i g n e da n dt h ea f f e c t i o nt of o r c em e a s u r ep r o c e s sc a u s e db yf r i c t i o nw a s a l s od i s c u s s e dt h r o u g ha n a l y z i n gs i m p l i f i e dm e c h a n i c a lm o d e l t h e n ，w i t hm o d e l i n ga n a l y s i s o ft h ef o r c e c o n t r o ls y s t e m ，t h es y s t e mo b s e r v e rw h i c hc a nm a n a g ef o r c e p o s i t i o nc o n t r o l m o d e ls w i t c h i n gw a ss t u d i e d f i n a l l y ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sf o r c ec o n t r o ls y s t e mf o r m a n i p u l a t o r h a sag o o dc o n t r o l p r e c i s i o n a n dr e p e a t a b i l i t yp r e c i s i o nb e s i d e s g o o d a d a p t a b i l i t y r e l i a b i l i t yd e s i g n i s i n v e s t i g a t e db yr e s e a r c h i n gt h ec o l l i s i o np r o t e c t i o nq u e s t i o n b e t w e e nm a n i p u l a t o ra n do b j e c t sa r o u n de n v i r o n m e n t t h ec o l l i s i o np r o t e c t i o ns y s t e m w h i c h i sm a i n l yb a s e do nr e l a ya n de l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，w a sd e s i g n e d i tc a nd i s t i n g u i s hc o l l i s i o n i i 大连理工大学硕士学位论文 s i g n a la n dc o m p l e t ep r o t e c t i o nf o rm a n i p u l a t o ri m m e d i a t e l y t h ep o s i t i o np r e c i s i o na f f e c t i o n c a u s e db yt h ep r o t e c t i o ns y s t e mw a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ei n e r t i a ld i s p l a c e m e n tc a r lb ec o n t r o l l e dl e s st h a nlm m t h ec o l l i s i o np r o t e c t i o n s y s t e mh a sn oa f f e c t i o no i lp o s i t i o np r e c i s i o n i ti sb e n e f i c i a lf o rm i c r o f l u i d i cc h i pa u t o m a t e d f a b r i c a t i o ns y s t e mt oe n h a n c es y s t e ma u t o m a t i o nl e v e l k e yw o r d s ：m i c r o n a n of a b r i c a t i o n ：h o te m b o s s i n g ；m a n i p u l a t o r ；f o r c ec o n t r o l ；c o l l i s i o n p r o t e c t i o n i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的圊志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：塞佥塑邀麴箜抱垫压里丞握佳扭越圭邀选盈塞 作者签名：二蜀至塑一 日期：皿年埘乒日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 批 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1论文的选题背景 微机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 是建立在微米纳米技术基 础上的2 1 世纪前沿技术，是指对微米纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的 技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系 统。近年来，m e m s 产业发展迅速，根据著名的国际m e m s 咨询机构约尔公司( y o l e ) 分析，2 0 0 5 年全球基于硅和石英器件的m e m s 市场高达5 0 亿美元，预计2 0 1 0 年将达 到1 0 0 亿美元。产品主要包括：喷墨打印头、光m e m s ( 主要是数字微镜器件) 、压力传 感器、惯性传感器、微流控器件、r fm e m s 、硅麦克风及微型燃料电池l l j 。 纳米压印技术( n a n oi m p r i n tl i t h o g r a p h y ，n i l ) 是制作m e m s 器件的核心技术之一， 1 9 9 5 年首先由美国普林斯顿大学华裔科学家周郁提出【2 j 。这项技术具有生产效率高、成 本低、工艺过程简单等优点，既继承了电子束刻蚀技术的高分辨率特点，又保留了传统 刻蚀技术大批量生产的优势。它是将预先制各好的模具压入旋涂在硅基片上的抗蚀剂薄 膜，移去模板后，模板上的纳米图案便转移到基底表面的抗蚀剂( 光刻胶) 上。完成压 印过程之后，根据需要可用干刻蚀将图案继续蚀入基底或用剥离技术获得与抗蚀剂上图 案相对应的图案。 纳米压印光刻是通过压印使光刻胶变形，而不是通过曝光改变光刻胶的化学结构， 因此其分辨率不受光的衍射、散射、光刻胶内部光干涉、衬底反射等因素的限制，可突 破传统光刻工艺的分辨率极限【3 j 。其次，压印光刻不需要复杂的透镜、曝光光源，并且 可以大批量重复地在大面积上制备纳米图形结构，所制作的图案具有很好的均匀性和重 复性。因此，该技术具有低制作成本和高生产效率的优点。此外，还可以将二维结构事 先雕刻在模板表面，从而实现高深宽比复杂形状的二维结构图形的直接复制。 由于压印光刻具有其他光刻技术不可比拟的众多优点，它已被2 0 0 3 年的国际半导 体蓝图列入制作3 5 n m 节点的下一代光刻技术之一。m i t 的科技评论也将其列为可能改 变世界的十大科技之一f 4 】。该技术将为制备纳米结构和器件提供一种高分辨率、低成本 和高生产率的新方法，可广泛用于纳米电子器件、纳米光学器件、纳米光电器件、纳米 磁存储器件及生物微流体器件的制造，为纳米科学研究提供一个重要的制造技术平台， 对推动纳米科技的研究和产业化发展将发挥重要作用。 同时，聚合物微纳结构的制作工艺对环境的洁净度要求很高，传统的人工传输的方 式无法满足要求，必须由高速度、高精度的自动化传输系统来实现。因此，引入操作机 聚合物微纳结构热压印及操作机械手改进研究 器人技术不仅能够保证稳定的器件质量以及提高制作效率，而且有利于提高微纳器件制 备的自动化水平，这对于开发自动化生产线，实现微纳结构制备的批量化生产具有非常 重要的意义。 一 本课题来源于国家重点基础研究发展计划9 7 3 子项目“微流控学在化学和生物学中 的应用基础研究高性能微流控芯片器件的制备方法及相关理论”( 2 0 0 7 c b 7 1 4 5 0 2 ) 。 1 2 聚合物微纳结构概述 聚合物及其复合材料，如聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 、环烯烃共聚物( c o p ) 、聚二 甲基硅氧烷( p d m s ) 、聚碳酸酯( p c ) 、聚苯乙烯( p s ) 、聚乙烯( p e ) 等等，具有良好的热塑 性、电绝缘性、透光性、电光活性、快速响应，以及种类多、易于加工、可集成性等优 点，使其在微电子器件、微光电子器件、太阳能材料、电化学传感器、红外吸收材料等 方面均具有重要的应用和广阔的市场价值【5 j 。近些年来，聚合物微纳结构器件的研究发 展很快，欧美发达国家认为聚合物微结构在微技术领域存在着相当大的潜在市场。目前， 微光学领域需要的机械精密校准及耦合结构，波导结构及集成光学元件等是当前的一个 重要应用领域，另外，在微流体领域的应用研究，如制作粒子分离用的滤器、筛孔及流 体槽等有关结构也逐渐成为关注的热点领域。下面对国内外研究比较多的聚合物微器件 进行简要的介绍。 1 2 1 聚合物微流控器件 探知生命的奥秘是人类一直努力的方向，微纳米技术的进步为这一领域的发展提供 了机会。将m e m s 技术应用到微流控器件的加工，实现了微流控器件在生物化学领域 的应用【6 7 】。其中，微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 是一种采用微细加工技术，在数平 方厘米大小基片上制作出微沟道结构和其它功能单元，由微通道形成网络，以可控流体 贯穿整个系统，并对其产物进行分析，用以取代常规化学或生物实验室各种功能的一种 技术平台，可以实现集样品制备、进样、反应、分离、检测于一体的快速、高效、低耗 的微分析系统。随着微流控学在化学和生物医学等领域中应用的日趋深入，高性能微流 控芯片器件的制备成为当前研究热点，在微流控芯片结构的复杂程度和制作精度等方面 提出了更高要求。 微流控器件是微系统技术在分析化学领域应用的产物，作为一个跨学科的新领域， 它的产生、发展得益于微型全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m 即| lt a s ) 或称芯片实验室( l a b o r a t o r y o nac h i p ，简称l o c ) 概念的提出【8 】，现已成为全世界研 究领域的热点。它以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构 大连理工大学硕士学位论文 特征，以生命科学为目前主要应用对象，是当前微型全分析系统领域发展的重点。它的 目标是把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微 芯片上，且可多次使用。微流动系统的流量在n l m i n l al r a i n 数量级，包括微量流体 的传感、输送、检测和控制。可控制微量流体的压力、流量和流动方向，它具有集成化 和大批量生产的特点，而且由于尺寸微小，可减少系统的无效体积、降低能耗、提高响 应速度。微流动系统与其它微型元件集成构成各种微系统，在微量化学分析、微量医学 注射和分析等方面具有良好的应用前景 9 j 。 随着微细制造技术的发展及更多材料的使用，微流控器件的发展也随之多样化。按 照制作材料的不同可以将微流控器件分为硅基微流控器件和聚合物类微流控器件。前者 主要以单晶硅、玻璃和石英作为芯片材料，后者则以高分子聚合物为主。用于制造微流 控器件的高分子聚合物如下：聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) ，俗称有机玻璃，是塑料材 料中一种制作塑料微流控器件的重要材料。它具有价格便宜、制作工艺相对简单、加工 的可重复性较好等优点，p m m a 已经成为当前微流控器件制造材料的研究热点之一， 也是现今最具有前景的制造材料。聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 是一种无色透明的弹性高 分子聚合物，具有良好的生物兼容性，同时具有对紫外光的良好通透性能，因此被广泛 地应用在各种微流控分析系统中。其它被用来制作微流控器件的聚合物材料还有聚碳酸 脂( p c ) 、聚苯乙烯( p s ) 、聚乙烯( p e ) 、聚对苯二甲酸乙二脂( p e t ) 、聚脂( p e s ) 、 聚酰亚胺( p i ) 等。 近些年来，微流体器件得到了很大的发展，现已经出现了单片集成式微流体控制系 统，它是微流体控制系统研究的主流，该系统将微泵、微阀、微传感器及其它辅助器件 ( 如微通道、过滤网、混合器等) 与控制电路等采用微加工方法集成在同一基片( 或电 路板) 上，以获得一个整体性智能化芯片器件。 微流控芯片具有体积小、成本低、便于携带、环境污染小、分析过程自动化、分析 速度快、所需样品和试剂少等优点，并可实现多通道并行操作，可用于无机分子、有机 分子、生物大分子( 如d n a 、氨基酸、蛋白质) 、细胞、细菌及病毒等分析检测，并 有望发展成微全分析系统和缩微芯片实验室的主流技术。聚合物微流控器件在分析仪器 微型化、集成化和便携化方面的巨大潜力促进了该芯片的研究和广泛应用，将使疾病诊 断( 如癌症和各种遗传病的基因诊断) 和治疗( 如定向监护检测) 、环境监测( 如军事 上的生物战剂侦检) 、新药开发( 如高通量药物筛选) 、食品( 卫生) 安全、农作物育 种和改良、司法鉴定、航空航天等许多领域产生革命性的变化，已成为当今生命科学、 化学、微机械和微电子学等领域的研究热点【1 0 】。目前，仅有少数微流控器件实现了商业 化( 主要是药物筛选或用于科学研究) ，大部分仍处于样机阶段。 聚合物微纳结构热压印及操作机械手改进研究 1 2 。2 聚合物微光栅器件 光波导器件是将基板的表面( 或其正下方) 制成具有相当高折射率的部分，形成能 封住光波的波导，其基本的元件有激光器、调制器、探测器等。近些年来，随着光学通 信网络的高速发展，对单模光纤载波能力的需求越来越大，光学波分复用技术( w d m ) 应运而生，而成本的降低成为w d m 进入因特网的关键所在。为了降低制造和维修成本， 简化制造工艺，聚合物材料被引入到光波导器件的制作中【1 1 j 。 在无机及材料与有机材料中，聚合物材料由于其特殊的优越性，引起了广泛的关注。 同传统的无机光波导材料相比，有机聚合物光波导材料有以下三大优点：( 1 ) 有机聚 合物光波导材料具有较高的电光耦合系数、较低的介电常数、响应时间短、热损耗小， 聚合物的热光效应一般是硅的1 0 倍，这样硅基光开关功率为4 0 0 。5 0 0 r o w ，而有机聚合 物光开关功率则小于5 m w ，因此驱动电压小、响应快。( 2 ) 有机聚合物光波导的加工 工艺比硅基无机波导简单、价格低廉无须高温加热，只须通过室温旋涂和光刻等工艺就 可以制作出复杂的光电集成器件，并且制作的器件轻巧、机械性能好，因而适用于制作 大型光学器件和柔性器件( 从几厘米到一米) 1 2 】。( 3 ) 有机聚合物材料可旋涂在许多 类型的基底上，有利于与其它光电子器件的集成。以上的优点使得聚合物光栅器件在与 无机材料光栅器件的竞争中处于有利的地位。 光栅被广泛应用于光学测量、集成光学、光信息处理等领域中。采用微电子工艺制 作的微结构光栅是新型光栅发展的一个重要方向，其最小线宽可以做n i j , 于1 0 0 n m 。微 纳热压印技术的最大优点是工艺简单、成本低、适合大批量的制造，而且分辨率高，可 以得到低于1 0 n m 的线宽，受到人们越来越多的重视，并已经制造了很多光学器件【l 孓】。 利用这种方法进行微结构光栅的复制，可以实现同一块母光栅大批量生产出光栅参数相 同的复制光栅，复制成本低。 1 9 9 1 年a k z o n o b e l 公司报道了他们第一个聚合物1 2d o s ( d i g i t a lo p t i c a l s w i t c h ) 。19 9 3 年m 盯运用m a t h z e h n d e r 干涉仪结构制成了低开关功率的、联结处窜话 低的聚合物热光开关( 入- - 1 3um ) 。1 9 9 4 年h h i ( 德国赫芝电信技术研究所) 研制了第一个 聚合物2 2 d c ( d i r e e t i o n a lc o u p l e r ) r = 3 的热光开关，1 5 5l am 的窜话 2 5 d b 。上述1 2 d o s 热光开关可以作为制作1 n 和n n 热光开关和矩阵的基本单元，1 9 9 5 年a k z o n o b e l 研制成功了1 8 d o s ，1 1 6 d o s 正在研制中。1 9 9 6 年他们又报道了由1 1 2 个独立的lx 2 d o s 构成的第一个聚合物8 8 数字开关矩阵。l 2 - , 1 4 ，1x8 和2 x 2 - d o s 聚合物热光开关己在a k z o n o b e l 公司开始了批量生产现己进入市场【1 7 1 。 大连理工大学硕士学位论文 聚合物阵列波导光栅( a w g ) 器件的制备成功始于1 9 9 4 - - 一1 9 9 5 年间，h i d a 使用的 是d - p m m a 聚合物材料，该材料在1 3 0 0 n m 波段吸收损耗和偏振相关的波长漂移都很小， 但在1 5 5 0 n m 处传输损耗很高，并且热稳定性不好。1 9 9 7 年w a t a n a b l e 等人用一种改进 的聚硅氧烷树脂材料实现了波长可调谐的聚合物a w g ，并且波导在1 5 5 0 n m 处的传输 损耗降到0 5 d b c m 。1 9 9 8 年k o b a y a s h i 等人用氟化6 f d a t f d b 和6 f d a o d a 的共聚 酰亚胺分别作为a w g 的包层和芯层材料，研制出工作于1 5 5 0 n m 波长的无偏振a w g 波分复用器。在2 0 0 1 年，m i n 等人公布了基于氟化聚芳醚聚合物材料的1 6 1 6a w g 路由器芯片。同年，k e i l 报道了一种全聚合物a w g ，他采用热膨胀系数性质相反的衬 底和波导材料，实现了器件的偏振无关和热稳定性。2 0 0 4 年聚合物a w g 的研究获得了 重大进展，y e n i a y 等人报道了工作于1 5 5ur l l 的1 6 信道1 0 0 g h z 间隔的全氟聚合物 a w g ，插入损耗为2 8 0 3 d b ，相邻信道串扰为3 0 2 d b ，偏振相关波长漂移小于 o 1 n m ，器件的各项性能指标已经达到或超过无机a w g 的水平。 1 3 聚合物热压印技术 t 热压印光刻法的工艺过程分三步：压模制备、压印过程、图形转移。其基本概念是 用电子束刻印术或其他先进技术，把坚硬的压模毛坯加工成一个压模；然后在用来绘制 图案的基片上旋涂一层聚合物薄膜，把压模压在基片上的聚合物薄膜上，加热加压，再 把温度降低到聚合物玻璃化温度以下，最后把压模与聚合物层相分离，就在基片上做出 了凸起的聚合物图案( 还要稍作腐蚀除去凹处残留的聚合物) ；图形转移是对上一步做 成的压印件，用常规的图形转移技术，把基片上的聚合物图案转换成所需材质的图案。 热压印技术在压印时涉及到压模与基片表面聚合物薄膜的物理接触，在接触和分离 过程中压模的变形和磨损就成了影响图案复制的严重问题，因此压模必需有足够的强 度，并且在多次压印中保证其耐用性。压模通常用s i 、s i 0 2 、氮化硅、金刚石等材料制 成。这些材料具有很多优良的性质：压缩强度、大抗拉强度可以减少压模的变形和磨损； 高热导率和低热膨胀系数，使得在加热过程中压模的热变形很小【l8 1 。另外，重复的压印 制作会污染压模，需要用强酸和有机溶剂来清洁压模，这就要求制作压模的材料是抗腐 蚀的惰性材料。 用热压印技术制作微纳米器件所用的基片，例如s i 片、s i 0 2 s i 片、敷有金属底膜 的s i 片等，与通常光刻工艺所用的类似。制作时，先在基片上旋涂一层聚合物薄膜， 聚合物材料通常用聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) ，再把旋涂后的基片及压模安装到压印 机的两个压印板上。把所放基片及压模加热到聚合物薄膜的玻璃态转化温度之上，此时 聚合物有较好的流动性。当温度降到玻璃态转化温度之下时把压模与所压底片分离( 即 聚合物微纳结构热压印及操作机械手改进研究 脱模) ，在此温度下进行脱模可以避免对压模和聚合物薄膜的损伤。压印后，原聚合物 薄膜被压得凹下去的那些部分便成了极薄的残留聚合物层，为了露出它下面的基片表 面，必须除去这些残留层，除去的方法是反应离子刻蚀。这个刻蚀过程会对凸起的图案 花纹稍有损伤，但对图案精度的影响不是太大。 对于上一步所得到的压印件，一般要用图形转移技术把基片上的聚合物图案转换成 所需材质的图案。该技术主要有刻蚀技术和剥离技术两种。其中，刻蚀技术的工艺过 程为：当基片为敷有金属底膜的硅片的情况时，首先用酸性溶液进行湿法刻蚀，硅片上 未被聚合物图案覆盖的部分将被刻蚀掉，而被聚合物花纹覆盖的部分则被保留1 1 9 ，然后 用有机溶剂溶解掉聚合物花纹，在硅片上形成了与原聚合物图案相同的金属层图案。如 果需要，再以硅片表面上的图案为掩膜作进一步刻蚀，应用反应离子刻蚀技术实行干法 刻蚀。剥离技术的工艺过程为：对压印所得的附有聚合物图案的基片( 这里基片为非金 属材质的，例如s i 、s i 0 2 s i 片等) ，首先蒸镀一层金属，基片表面未被聚合物花纹覆 盖的部分将直接与所蒸镀的金属层直接接触和结合，而蒸镀在聚合物花纹表面上的金属 层将远高于其余部分而且边缘陡峭。然后，用有机溶剂溶解掉聚合物花纹，同时也就除 去了蒸镀在它上面的金属层，而其余的金属层仍留在基片表面，形成与原聚合物图案互 补的金属层图案。 1 4 工业机器人力控制概论 能够实时的对环境和对象进行感知、适应和动作，是机器人智能化的重要特征。机 器人力觉和力控制研究是智能机器系统基于感觉和行动综合研究的重要组成部分，是智 能机器研究的基础【2 0 1 。 机器人的力觉是触觉最复杂、最综合、应用最广泛的感知形式。智能机器的触觉是 基于机器与对象物体直接接触所产生的感觉，可以在光线条件特差或者工作范围受限制 的情况下代替视觉的功能；而且可以在操作过程中实时提供确切的信息，而视觉信息只 能出现在操作之前，或操作之后，因为视觉受光线和障碍物的限制；再有，力觉所产生 的力和力矩的信息，则是视觉无法获取的。总之，智能机器视觉和触觉各有特点，互为 补充。在实际工作中，它们经常配合使用，例如装配过程中，可能用视觉信息来粗定位， 用触觉信息来精确定位。 在传统的工业机器人应用中很少涉及物理接触，位置控制得到很大发展。在位置控 制中，位置的绝对误差很重要，微小的位置变化并不产生任何影响。但是这种微小位置 误差却能产生很大的接触力。在操作器上安装力力矩传感器，监测接触力，利用力觉信 大连理工大学硕士学位论文 息进行控制，可以极大提高有效位置精度，完成有接触的任务，即力控制。力控制也叫 主动柔顺控制，其典型特点是力位耦合，是一种复杂的混合控制，与智能机器研究紧密 联系着，一直是当今世界研究热点。 柔顺性被分为主动柔顺性和被动柔顺性两类。智能机器凭借一些辅助的柔顺机构， 使其在与环境接触时能够对外部作用力产生自然顺从，被称为被动柔顺性；智能机器 利用力的反馈信息采用一定的控制策略去主动控制作用力，被称为主动柔顺性。 被动柔顺机构，即利用一些可以使智能机器在与环境作用时能够吸收或储存能量的 机械器件如弹簧、阻尼器等构成的机构。智能机器采用被动柔顺装置进行作业，存在一 定的问题：专用性强，适应能力差，使用范围受到限制；被动柔顺装置本身并不具备控 制能力，给计算机控制带来了极大的困难，尤其在既需要控制作用力又需要严格控制定 位情况下更为突出；机器人本身不能产生对力的反应动作，成功率较低等等。 主动柔顺控制也就是力控制，随着智能机器在各个领域应用的日益广泛，许多场合 要求智能机器具有接触力的感知和控制能力，例如在智能机器的精密装配、修刮或磨削 工件表面、抛光和擦洗等操作过程中，要求保持其端部执行器与环境接触，必须具备这 种基于力反馈的柔顺控制能力。机器人的力控制包含3 个重要部分：任务描述，控制策 略选择，任务执行或者控制的实现【2 1 1 。这需要确定有接触的任务，以规划出有效的策略、 轨迹，理解反馈信息。控制手段是不可缺少的，否则机器人的响应就难以稳定。最后还 需要滤波和估计，剔除不希望的信号，以便得到可用的反馈信息。综合处理这些问题才 可以产生一个有效的力控制系统。 聚合物微纳结构熟压印及操作机械手改进研究 1 5 本文的主要研究内容 本文研究内容主要包括三部分： ( 1 ) 聚合物微纳结构器件的热压印试验研究，主要包括：实验中使用的热压印基 片的制各；r y j i 热压成形机原理和主要性能参数；纳米栅型结构器件的制作，包括压 印模板的设计、热压印实验过程和试验结果分析；微结构光栅的制作，包括微结构光栅 在波分复用技术中应用，压印模板设计和热压印实验。在本部分热压印工艺试验中分析 了热压温度和脱模温度对图形复制质量的影响。 ( 2 ) 聚合物微纳结构操作机械手力控制系统的设计研究，在操作机械手原有的位 置控制的基础上设计了一种“力外环包容位置环”的力控制系统，主要包括：操作机械 手末端执行器真空吸附装置结构设计和测力准确性的计算分析；操作机械手力外环包容 位置环控制器和力位置控制辨别器的设计，完成了硬件系统的搭建；最后进行了控制精 度和重复精度实验。 ( 3 ) 聚合物微纳结构操作机械手防碰撞保护装置的设计研究，主要包括：防碰撞 保护装置的原理，机械结构和控制电路的设计：完成了制动装置的设计计算，分析了制 动器对丝杠性能的影响，最后进行了该装置的防碰撞测试实验。 大连理工大学硕士学位论文 2 微纳结构器件的热压印实验研究 21 压印实验装置 本文采用的热压印实验装置是由大连理工大学微系统中心自主研发的r y j t 型热压 成形机，该热压机能够实现对热压温度和压印力的精确控制，实时记录温度和压印力的 运行数据，并能够自动存储在数据库。如图21 所示。 其曲，温度控制系统包括两个独立控制温度的上、i 热压单元模块；各单元模块采 用半导体热电致冷器进行温度控制，可以实现加热或制冷，温控系统的升温速度大于o5 7 s ，降温速度大于03 c s ，系统温度控制重复精度约为- + 02 c s ，并且热压单元模块 各工作表面的温度具有较好一致性。压印力控制系统采用直流力矩电机通过滚珠丝杆螺 旋升降机构，驱动上热压单元模块沿两个圆柱导轨运动，施加压印力于上下热压单元模 块之间：在下热压单元模块下方中心位置安装有称重传感器，用于压力实时反馈控制。 该热压机能够产生的最大压印力约为1 0 k n ，控制精度为- - + 2 0 n ( 02 ) ，其间的位移变化 通过分辨率为1 , u m 的直线光栅尺进行检测。 图2 lr v j i 型热压成形机 f i g 21 r y j - i h o te m b o a s q n g m a c h i n e 聚合物微纳结构热压印及操作机械手改进研究 2 2 聚合物热压印涂层的选择 ，聚甲基丙烯酸甲酯是应用最广泛的热压印涂层。聚甲基丙烯酸甲酯缩写代号为 p m m a ，在不同的温度范围内p m m a 呈现三种力学状态，即玻璃态、高弹态和粘流态， 其温度形变曲线如图2 2 所示【6 】。乃是玻璃化温度，即玻璃态向高弹态转变的温度，l 是 流动温度，即高弹态向粘流态转变的温度。当温度低于玻璃化温度时，链段和整链运动 均被冻结，随着温度的继续上升，分子的热运动能量使链段开始自由运动，这时高聚物 处于高弹性态，产生的形变可以完全恢复，当温度继续上升，使得高分子链间的缠结开 始解开，整链开始滑移时，开始高弹性态向粘流态的转变。在这一转变区尽管高聚物还 有弹性，但已有明显的流动。进一步升高温度，分子链己能自由运动，出现了类似一般 液体的粘性流动。在热压印过程中，模版和基片的温度应升至聚合物薄膜的玻璃化温度 以上，流动温度以下，在压力作用下使聚合物流动成形。 萝 ( 乙弓r ( ) 图2 2p m m a 温度形变曲线示意图 f i g 2 2t e m p e r a t u r e s h a p ec h a n g eg r a p hf o rp m m a 本文选择的热压印涂层材料是p m m a ，该材料的主要力学性能如下： 1 ) p m m a 具有良好的综合力学性能，一般而言拉伸强度可达n 5 0 7 7 m p a t j ( 平，弯 曲强度可达至l j 9 0 13 0 m p a ； 2 ) p m m a 与硅材料黏附不很紧密，脱模特性好，一般不用脱模剂即可顺利将压印 模板与压印样品分离； 3 ) 当温度和压力大范围变化时p m m a 材料的收缩率不超过5 ，使得样品在压印的 加热和冷却过程中图形结构能够保持很好的一致性； 大连理工大学硕士学位论文 4 ) p m m a 材料光学性能良好，是制作光学器件理想的聚合物材料。p m m a 对绝大 多数光的透过率为9 0 以上。p m m a 折射率较小，约1 4 9 ，雾度不大于2 。此外该材料 容易获得，而且价格低廉。 在制作热压印基片时，首先利用旋涂机在基底表面( 通常是s i ，s i 0 2 或沉积金属材 料的s i ) 均匀涂敷一层聚合物p m m a 溶液，然后在保持一定温度条件下烘干。p m m a 的 厚度取决于模板的尺寸和图形的特征尺寸。一方面，为了避免多次压印后聚合物粘附到 模板上，提高干法刻蚀的选择性，压印胶厚度要尽量薄；另一方面，为了避免刚性模板 直接挤压基底引起磨损和提高聚合物流动效率，压印胶厚度要尽量厚，所以热压印胶的 厚度通常选择为略大子模板图形的高度。 2 3 纳米栅型结构器件的制作 2 3 1 纳米栅型结构模板的设计制作 本文热压印实验采用的纳米栅型结构模具是由西安交通大学设计的基于t i n 涂层 玻璃基体的压印模板 2 2 】。该模板采用7 0 5 9 玻璃作为压印模板基体，基体尺寸为7 5x 2 5 xl m m 。该玻璃材料的热膨胀系数小于等于4 5x 1 0 - 6 ，转变点温度大于6 5 0 。 t i n 粉末一般呈黄褐色，而t i n 晶体则呈金黄色，具有金属光泽。t i n 的熔点为3 2 2 3 k ， 理论密度为5 4 3 - - 5 4 4 9 c m 一。t i n 的熔点比大多数过渡金属氮化物的高，而密度却比 大多数过渡金属氮化物的低。其主要性质如下： ( 1 ) 力学性能：室温下，致密t i n 陶瓷的莫氏硬度为8 - 9 ，显微硬度为2 1 g p a ，弹 性模量为4 3 6 g p a ，抗弯强度为4 3 1 m p a 。 ( 2 ) 热学性能：室温下，t i n 的线膨胀系数为9 3 5 x1 0 山k 一，热导率为1 9 2 5 w 佃 k ) ，具有较好的导热性能【2 3 】。 ( 3 ) 电学性能：室温下，t i n 的电阻率在1 0 巧qx c m 左右，是一种很好的导电陶瓷。 ( 4 ) 化学性质：室温下，t i n 具有很高的化学稳定性。一般情况下，它与水、水蒸 气、盐酸、硫酸等均不发生反应；但在氢氟酸( h f ) 中有一定的溶解度，若h f 与氧化 剂共存，如h f + h n 0 3 、h f + k m n 0 4 等，则可以把t i n 完全溶解。在强碱溶液中，t i n 会 分解，放出n h 3 。t i n 具有较好的抗氧化性，其开始氧化温度在l o o o 左右。 基体的整个清洗过程必须在超净室内完成。清洗方法如下：( 1 ) 将基体浸泡在盛 有丙酮溶液的烧杯内，将烧杯放在超声波清洗器内震荡清洗2 0 分钟。( 2 ) 从丙酮溶液 内取出基体，将其置于盛有酒精溶液的烧杯内，将烧杯放在超声波清洗器内震荡清洗2 0 分钟。( 3 ) 从酒精溶液内取出基体，将其置于盛有去离子水的烧杯内，将烧杯放在超 聚合物微纳结构热压印及操作机械手改进研究 声波清洗器内震荡清洗1 5 分钟。( 4 ) 从去离子水中将基体取出，用氯气将表面吹干后，