基于硅基微位移检测的精密

基于硅基微位移检测的精密定位工作台学生姓名：赵鑫指导教师：王武义、荣伟彬陈立国课题来源及研究的目的和意义课题来源：国家863计划项目“面向亚毫米尺度微小器件作业的微操作机器人关键技术研究”的一部分。研究的目的及意义：目前常见的微进给机构一般是利用弹性变形、直线电机、机械传动、电磁力和压电陶瓷等实现微进给。压电陶瓷以其响应快、易于微型化、重复性好、分辨率高、刚度好、无磁场干扰等优点在微进给中得到了广泛的应用。但是由于压电陶瓷具有迟滞、蠕变、温度影响等非线性误差，需要对其进行闭环控制。目前对压电陶瓷控制方法主要分为两大类：一是电压控制，其中包括前馈电压控制（采用各课题来源及研究的目的和意义课题来源及研究的目的和意义种压电模型）和反馈电压控制（采用各种传感器）；二是电荷控制，其中也包括了前馈电荷控制（充电电荷控制）和反馈电荷控制（充电电荷被测量和控制）。随着反馈元件的发展和压电陶瓷模型的不断完善，电压控制方法尤其是反馈电压控制方法在现在占有主导作用。现在广泛应用的电感式、电阻应变片式和电容式传感器由于传感器自身结构尺寸或者后续处理电路复杂等原因，都不能进一步实现系统的模块化和小型化。因此采用集成度更高、结构尺寸更小的压阻硅基传感器。国外研究的现状

以压电陶瓷为致动器的纳米级定位平台的研究在国外已有30多年的历史了，最早是美国国家标准局应用于航天技术中。现在以德国和日本的研究最具有代表性。例如：德国的PI公司、PZ公司以及PJ公司的研究早已实现产业化，定型的产品种类繁多，并且已具有应用于专用领域的平台。目前发展的方向有两个：实现更大的位移和更高的定位精度。在传感器方面主要是电感式、电阻应变片式和电容式几种。国外研究的现状国外研究的现状国内研究的现状随着纳米技术在国内的快速发展，我国对压电陶瓷致动微位移机构的研究也极为重视，并取得了一定的成果。近年来，清华大学、哈尔滨工业大学、天津大学、长春光机所、广东工业大学、合肥工业大学等都对压电陶瓷驱动微位移机构原理及性能改善进行了卓有成效的研究。目前实现产品化的只有哈尔滨工业大学博实精密测控公司和中国电子科技集团公司第26所。在传感器的使用上也主要是电感式、电阻应变片式和电容式几种。

国内研究的现状国内外研究现状分析1、电感式传感器是接触式的传感器，其测头必须与被测物体接触，而且不能超出测量范围。对微小位移测量来说，其安装调试比较麻烦，而且如果测头的轴线在测量过程中发生偏摆还会引入误差。电感式传感器的测量精度和分辨率是这三种传感器中最低的。其电感线圈的抗干扰能力也很差，因此现在采用的不是很多。

国内外研究现状分析国内外研究现状分析2、电阻应变片式传感器作为检测元件时，微定位系统的附加结构简单，甚至不需要附加结构，对工作环境的要求相对较低。但是，由于应变片的温度稳定性较差以及受其灵敏度的限制，其定位分辨率相对较低，一般难于达到l0nm以内。电阻应变片式传感器在微小位移测量中有两种应用方式：一是将其集成在压电陶瓷的侧面，对压电陶瓷的位移量进行检测，这种方式形成的控制系统是半闭环，定位精度不会很高；二是将其集成在工作台的柔性铰链上，通过检测铰链的变形来换算工作台的位移量，这种方式形成的控制系统虽然是全闭环，但是由于电阻应变片的粘贴工艺的影响，定位精度也不是很高。国内外研究现状分析国内外研究现状分析3、电容传感器的定位精度和分辨率都要高于电阻应变片式和电感式。电容传感器虽然可提高压电陶瓷执行器微定位系统的定位精度和分辨率，但同时也使微定位系统的结构较复杂，安装调试很麻烦，而且它对工作环境的要求也较苛刻，这主要表现在：电容传感器的初始电容较小，而其极板和周围导体所构成的寄生电容以及由电缆所引起的分布电容却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度，另一方面这些电容往往是随机变化的，从而使传感器不能稳定工作；电容传感器是高阻抗元件，易受外界静电场和交变电磁场的干扰而产生测量误差。硅基作传感器的优点1、无机械回滞，因为硅在弹性变形前就会失效；2、蠕变特性好，单晶硅的蠕变效应在10/百万个零件的量级；3、灵敏度高，对于常规的金属应变片来说，应变灵敏度系数在1的量级，而硅的压阻效应将硅的应变量的灵敏度系数增加到100的量级。目前硅基传感器在压力和加速度测量方面已经广泛应用，而在位移测量上还没有先例，所以将硅基传感器应用于位移测量是个创新点。主要研究内容1、设计集成压阻硅基传感器的精密定位平台根据台体运动行程范围、陶瓷的尺寸、台体刚度等指标进行台体的结构设计，并对压阻硅基传感器的结构尺寸、刚度等提出要求。然后通过ANSYS软件进行力学、台体形变、振动模态及运动学的仿真分析，对台体结构进行改进，确定最终的结构形式，进行加工。其中台体与传感器的连接是一个工作的难点。主要研究内容2、基于MEMS工艺设计集成压阻硅基传感器了解和熟悉MEMS加工及封装的工艺，根据工艺要求和工作台提出的结构刚度要求来指导压阻硅基传感器的设计。通过数学建模计算与ANSYS软件仿真分析，找到压阻硅基传感器应力变化最大的位置，作为加工压阻的位置。使用专用软件对压阻进行仿真分析，找到最佳的压阻形式。然后根据版图设计规则，确定加工工艺步骤进行加工。主要研究内容3、根据设计出的压阻硅基传感器来设计传感器的处理电路首先要设计压阻的接口电路，并将其集成在硅梁上；其次，根据将要采用的传感器个数以及传感器加工的一致性情况，设计处理电路，搭建电桥，并作适当的调整，人为实现传感器的一致。压阻接口电路的引线以及与后续处理电路的连接也将是一个工作的难点。主要研究内容4、搭建控制系统，进行传感器标定和性能检测以传统的PID控制技术来创建控制模型，搭建控制系统。用激光干涉仪作为标定检测设备，对压阻硅基传感器进行标定和检测，并尽力建立起应力与位移之间的数学关系，确定线性测量范围。根据实验结果，再对传感器及台体的设计进行改进和完善。预期的目标

运动自由度1个（X轴）台体行程10um位移分辨率5nm重复定位精度10nm研究方案系统的流程如下：由压电陶瓷驱动电源驱动压电陶瓷产生位移，压电陶瓷推动平台使柔性铰链发生形变从而产生位移，压阻式硅基传感器在铰链梁应力变化最大处进行测量，并通过转换得到位移量，然后将位移信号传给控制系统，控制系统再根据位移量进行判断，调整驱动电源的输出电压，来调节压电陶瓷的位移量。这样就可以做到实时控制，减小了压电陶瓷自身非线性和周围环境影响造成的误差，提高了定位的精度。整个控制系统流程如图。研究方案控制系统流程框图研究方案实现方案如下：首先根据台体运动行程范围、陶瓷的尺寸、台体刚度等指标对台体进行结构设计，并对压阻硅基传感器提出结构尺寸和刚度等要求，对台体进行加工；根据工作台设计提出的要求确定压阻硅基传感器的结构尺寸，然后对硅梁进行数学建模，初步确定梁上应力变化最大处；在ANSYS软件中进行梁的建模检验，最终确定梁应力变化最大的位置为压阻的加工位置，根据软件的仿真分析，最终确定压阻的具体形式并进行加工；设计传感器的后续处理电路和系统的控制模块；最后搭建起实验系统，作实验对传感器进行标定和检测，根据实验结果进行适当的改进，完善系统。实现方案示意图如图。研究方案选用的压电陶瓷型号：德国PZ公司的PST150/5×5/18柔性铰链数学建模计算传动副采用对称结构的平行板式柔性铰链机构，既能保证很好的输出位移线性度，又能抵抗非进给方向上的外加载荷的影响，其整体的精度比其它铰链结构要好，更适合在精密定位中的应用。柔性铰链的刚度是一个很重要的参数指标，它直接影响工作台的静动态特性。如果刚度太小，会降低工作台的固有频率，减慢其响应速度，减弱其抗干扰能力，而且在运动过程中也会产生很大的过冲现象。如果刚度太大，会对压电陶瓷造成过大的压力，从而使微进给工作台实际输出位移减小。柔性铰链数学建模计算平行板柔性铰链结构图柔性铰链数学建模计算压电陶瓷在弹性载荷作用下的实际位移输出

柔性铰链数学建模计算图中A曲线为压电陶瓷在自由状态下的静态特性曲线，B曲线为压电陶瓷在弹性载荷作用下的静态特性曲线，可见压电陶瓷在弹性载荷作用下的实际输出位移：在使用压电陶瓷时，为使其在工作过程中一直保持可靠接触，提高各接触面的接触刚度，应对其施加一定的预紧力。从图4,可见压电陶瓷受到的预紧力：由于预紧力的作用，压电陶瓷的零点将发生偏移：柔性铰链数学建模计算由于外部弹性载荷使压电陶瓷位移变化量：要求微进给工作台的行程大于10μm,设计取行程为15μm，则弹性铰链的刚度为：硅梁数学建模计算惠斯通电桥桥臂电压公式：是传感器桥臂的输出电压，取最小的输出可辨电压为0.2mv，可求得硅梁数学建模计算由可求得查得硅的断裂强度为有（）从而有硅梁数学建模计算可得从而取取L=1000um,则H=100um但是经过ANSYS仿真分析发现最大应力为，硅梁已经折断，故需要调整尺寸。取L=1000um,则H=50um，通过仿真分析优化最后确定L=2000um,H=220um研究方案一台体的应力分布仿真分析台体的位移形变仿真分析台体的模态分析工作台*****INDEXOFDATASETS