基于MEMS微位移传感器的纳米定位工作台研制

论文摘要

过去几十年中,以压电陶瓷致动的精密定位技术得到了长足的发展,已经广泛应用到微系统、生物工程、医学等领域。本课题针对现有的微位移传感器难于实现高集成度和小型化的缺陷,研制了一种集成电桥输出的硅基压阻式微位移传感器,并以硅基压阻式微位移传感器为核心建立了一个精密定位系统,为硅基压阻式微位移传感器在精密定位领域中的应用奠定了基础,也为精密定位系统实现高集成度、小型化提供了可能。本文首先采用整体设计的方法,建立了系统的初级模型,确定了工作台与传感器的连接方式。然后对工作台台体进行设计分析,通过对柔性铰链静力学建模以及应力仿真分析,确定了台体的具体尺寸结构,并总结了平行板式柔性铰链结构的设计准则。设计了具有高刚度、高灵敏度的十字梁式传感器结构,并对该结构进行了数学建模、仿真分析,得到了结构的最优参数;根据MEMS加工工艺计算出了压阻条的长度和宽度,根据设计目标的要求,确定了压阻条在十字梁上的具体位置和排布方式。设计了传感器的制备工艺流程,并绘制了版图。针对传感器输出信号小的问题,设计了专门的传感器信号采集放大电路。针对压阻式传感器受温度影响大的问题,设计了以MAX1457芯片为核心的传感器温度补偿电路。建立了以单神经元自适应PID算法为基础的控制系统。通过与传统PID控制算法的比较,证明了单神经元自适应PID算法具有更好的抗干扰能力和环境适应能力,从而能够保证系统具有很好的控制精度。最后,对所研制的硅基压阻式位移传感器进行了实验分析,通过对传感器各个性能指标的测试,验证了传感器具有的高灵敏度和高精度。建立起了精密定位系统,通过对系统稳定时间和重复定位精度的测试,证明了所设计的系统完全满足设计目标要求。本文在MEMS微位移传感器与微定位系统有机集成方面做了有益的尝试,为精密定位系统小型化、集成化发展奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 微驱动技术的发展现状
• 1.2.2 微位移检测技术发展现状
• 1.3 课题来源
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 硅基微位移检测纳米定位平台设计
• 2.1 引言
• 2.2 硅基微位移检测纳米定位平台整体设计
• 2.3 柔性铰链的形式选定
• 2.4 平行板式柔性铰链静力学建模与应力仿真分析
• 2.4.1 平行板式柔性铰链静力学模型建立
• 2.4.2 平行板式柔性铰链应力和模态仿真分析
• 2.4.3 平行板式柔性铰链设计指导准则研究与建立
• 2.5 工作台台体设计
• 2.5.1 工作台外形尺寸及压电陶瓷装配驱动型式确定
• 2.5.2 传感器与工作台的连接方案
• 2.5.3 传感器与平台连接机构设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 压阻式微位移传感器的设计
• 3.1 引言
• 3.2 压阻传感器工作原理及其设计原则
• 3.2.1 硅的压阻效应
• 3.2.2 压阻系数
• 3.2.3 工作原理
• 3.2.4 压阻式传感器设计基本原则
• 3.3 传感器硅梁结构的设计
• 3.3.1 传感器结构的选择与确定
• 3.3.2 传感器数学模型的建立和尺寸初步确定
• 3.3.3 传感器的有限元仿真分析
• 3.4 压阻条设计
• 3.4.1 压阻宽度设计
• 3.4.2 压阻长度设计
• 3.4.3 压阻布局设计
• 3.5 传感器加工与封装
• 3.5.1 压阻版图设计
• 3.5.2 传感器加工工艺及制备流程
• 3.5.3 传感器封装
• 3.6 传感器处理电路设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 控制系统的设计
• 4.1 引言
• 4.2 压电陶瓷驱动模块和传感器与计算机通讯模块的建立
• 4.2.1 压电陶瓷驱动模块的建立
• 4.2.2 传感器与计算机通讯模块的建立
• 4.3 系统传递函数的推导
• 4.4 经典PID控制算法的研究
• 4.4.1 PID控制算法和控制流程
• 4.4.2 PID控制算法的MATLAB仿真及参数确定
• 4.5 单神经元自适应PID控制算法的研究
• 4.5.1 单神经元自适应PID控制器及其学习算法
• 4.5.2 单神经元自适应PID控制算法的MATLAB仿真及参数确定
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统的建立
• 5.3 精密定位平台系统性能测试
• 5.3.1 精密定位平台系统固有频率测试
• 5.3.2 硅基传感器标定实验
• 5.3.3 硅基传感器线性度分析
• 5.3.4 硅基传感器重复性测试
• 5.3.5 硅基传感器精度测试
• 5.3.6 精密定位平台系统分辨率测试
• 5.4 精密定位平台系统实验研究
• 5.4.1 精密定位平台系统开环迟滞曲线的绘制
• 5.4.2 精密定位平台系统闭环性能测试
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢