基于硅基微位移檢測(cè)的精密課件

1、基于硅基微位移檢測(cè)的精密定位工作臺(tái)學(xué)生姓名：趙鑫 指導(dǎo)教師：王武義、榮偉彬 陳立國(guó) 課題來(lái)源及研究的目的和意義課題來(lái)源：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“面向亞毫米尺度微小器件作業(yè)的微操作機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”的一部分。 研究的目的及意義：目前常見(jiàn)的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)一般是利用彈性變形、直線電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)、電磁力和壓電陶瓷等實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給。壓電陶瓷以其響應(yīng)快、易于微型化、重復(fù)性好、分辨率高、剛度好、無(wú)磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)在微進(jìn)給中得到了廣泛的應(yīng)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(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制。目前對(duì)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(lái)源及研究的目的和意義

2、課題來(lái)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(cè)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(dǎo)作用。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的電感式、電阻應(yīng)變片式和電容式傳感器由于傳感器自身結(jié)構(gòu)尺寸或者后續(xù)處理電路復(fù)雜等原因，都不能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化和小型化。因此采用集成度更高、結(jié)構(gòu)尺寸更小的壓阻硅基傳感器。國(guó)外研究的現(xiàn)狀 以壓電陶瓷為致動(dòng)器的納米級(jí)定位平臺(tái)的研究在國(guó)外已有30多年的歷史了，最早是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局應(yīng)用于航天技術(shù)中?，F(xiàn)在以德國(guó)和日本的研究最具

3、有代表性。例如：德國(guó)的PI公司、PZ公司以及PJ公司的研究早已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，定型的產(chǎn)品種類繁多，并且已具有應(yīng)用于專用領(lǐng)域的平臺(tái)。目前發(fā)展的方向有兩個(gè)：實(shí)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(yīng)變片式和電容式幾種。國(guó)外研究的現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)研究的現(xiàn)狀 隨著納米技術(shù)在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)壓電陶瓷致動(dòng)微位移機(jī)構(gòu)的研究也極為重視，并取得了一定的成果。近年來(lái)，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、長(zhǎng)春光機(jī)所、廣東工業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等都對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)微位移機(jī)構(gòu)原理及性能改善進(jìn)行了卓有成效的研究。目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)博實(shí)精密測(cè)控公司和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第26所。在傳感器的使用

4、上也主要是電感式、電阻應(yīng)變片式和電容式幾種。 國(guó)內(nèi)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(cè)頭必須與被測(cè)物體接觸，而且不能超出測(cè)量范圍。對(duì)微小位移測(cè)量來(lái)說(shuō)，其安裝調(diào)試比較麻煩，而且如果測(cè)頭的軸線在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生偏擺還會(huì)引入誤差。電感式傳感器的測(cè)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析2、電阻應(yīng)變片式傳感器作為檢測(cè)元件時(shí)，微定位系統(tǒng)的附加結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，甚至不需要附加結(jié)構(gòu)，對(duì)工作環(huán)境的要求相對(duì)較低。但是，由于應(yīng)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(duì)較低，一般難于達(dá)到l 0nm以內(nèi)。電

5、阻應(yīng)變片式傳感器在微小位移測(cè)量中有兩種應(yīng)用方式：一是將其集成在壓電陶瓷的側(cè)面，對(duì)壓電陶瓷的位移量進(jìn)行檢測(cè)，這種方式形成的控制系統(tǒng)是半閉環(huán)，定位精度不會(huì)很高；二是將其集成在工作臺(tái)的柔性鉸鏈上，通過(guò)檢測(cè)鉸鏈的變形來(lái)?yè)Q算工作臺(tái)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(yīng)變片的粘貼工藝的影響，定位精度也不是很高。 國(guó)內(nèi)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(yīng)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(shí)也使微定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，安裝調(diào)試很麻煩，而且它對(duì)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

6、周?chē)鷮?dǎo)體所構(gòu)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(jī)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(chǎng)和交變電磁場(chǎng)的干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差。 硅基作傳感器的優(yōu)點(diǎn)1、無(wú)機(jī)械回滯，因?yàn)楣柙趶椥宰冃吻熬蜁?huì)失效；2、蠕變特性好，單晶硅的蠕變效應(yīng)在10/百萬(wàn)個(gè)零件的量級(jí)；3、靈敏度高，對(duì)于常規(guī)的金屬應(yīng)變片來(lái)說(shuō)，應(yīng)變靈敏度系數(shù)在1的量級(jí)，而硅的壓阻效應(yīng)將硅的應(yīng)變量的靈敏度系數(shù)增加到100的量級(jí)。 目前硅基傳感器在壓力和加速度測(cè)量方面已經(jīng)廣泛應(yīng)用，而在位移測(cè)量上還沒(méi)有先例，所以將硅基傳感器應(yīng)用于位移測(cè)量是個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。主要研究?jī)?nèi)容2

7、、基于MEMS工藝設(shè)計(jì)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(tái)提出的結(jié)構(gòu)剛度要求來(lái)指導(dǎo)壓阻硅基傳感器的設(shè)計(jì)。通過(guò)數(shù)學(xué)建模計(jì)算與ANSYS軟件仿真分析，找到壓阻硅基傳感器應(yīng)力變化最大的位置，作為加工壓阻的位置。使用專用軟件對(duì)壓阻進(jìn)行仿真分析，找到最佳的壓阻形式。然后根據(jù)版圖設(shè)計(jì)規(guī)則，確定加工工藝步驟進(jìn)行加工。 主要研究?jī)?nèi)容3、根據(jù)設(shè)計(jì)出的壓阻硅基傳感器來(lái)設(shè)計(jì)傳感器的處理電路首先要設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)以及傳感器加工的一致性情況，設(shè)計(jì)處理電路，搭建電橋，并作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，人為實(shí)現(xiàn)傳感器的一致。壓阻接口電路的引線以及與后

8、續(xù)處理電路的連接也將是一個(gè)工作的難點(diǎn)。 主要研究?jī)?nèi)容4、搭建控制系統(tǒng)，進(jìn)行傳感器標(biāo)定和性能檢測(cè)以傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)來(lái)創(chuàng)建控制模型，搭建控制系統(tǒng)。用激光干涉儀作為標(biāo)定檢測(cè)設(shè)備，對(duì)壓阻硅基傳感器進(jìn)行標(biāo)定和檢測(cè)，并盡力建立起應(yīng)力與位移之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，確定線性測(cè)量范圍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再對(duì)傳感器及臺(tái)體的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和完善。 預(yù)期的目標(biāo) 運(yùn)動(dòng)自由度1個(gè)（X軸） 臺(tái)體行程10um 位移分辨率5nm 重復(fù)定位精度10nm研究方案系統(tǒng)的流程如下：由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷產(chǎn)生位移，壓電陶瓷推動(dòng)平臺(tái)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(yīng)力變化最大處進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)轉(zhuǎn)換得到位移量，然后將位

9、移信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再根據(jù)位移量進(jìn)行判斷，調(diào)整驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓，來(lái)調(diào)節(jié)壓電陶瓷的位移量。這樣就可以做到實(shí)時(shí)控制，減小了壓電陶瓷自身非線性和周?chē)h(huán)境影響造成的誤差，提高了定位的精度。整個(gè)控制系統(tǒng)流程如圖 。研究方案控制系統(tǒng)流程框圖 研究方案選用的壓電陶瓷型號(hào)：德國(guó)PZ公司的PST150/5 5/18柔性鉸鏈數(shù)學(xué)建模計(jì)算 傳動(dòng)副采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的平行板式柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，既能保證很好的輸出位移線性度，又能抵抗非進(jìn)給方向上的外加載荷的影響，其整體的精度比其它鉸鏈結(jié)構(gòu)要好，更適合在精密定位中的應(yīng)用。 柔性鉸鏈的剛度是一個(gè)很重要的參數(shù)指標(biāo)，它直接影響工作臺(tái)的靜動(dòng)態(tài)特性。如果剛度太小，會(huì)降低工作臺(tái)的固有

10、頻率，減慢其響應(yīng)速度，減弱其抗干擾能力，而且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生很大的過(guò)沖現(xiàn)象。如果剛度太大，會(huì)對(duì)壓電陶瓷造成過(guò)大的壓力，從而使微進(jìn)給工作臺(tái)實(shí)際輸出位移減小。柔性鉸鏈數(shù)學(xué)建模計(jì)算壓電陶瓷在彈性載荷作用下的實(shí)際位移輸出 柔性鉸鏈數(shù)學(xué)建模計(jì)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(jiàn)壓電陶瓷在彈性載荷作用下的實(shí)際輸出位移：在使用壓電陶瓷時(shí)，為使其在工作過(guò)程中一直保持可靠接觸，提高各接觸面的接觸剛度，應(yīng)對(duì)其施加一定的預(yù)緊力。從圖4,可見(jiàn)壓電陶瓷受到的預(yù)緊力：由于預(yù)緊力的作用，壓電陶瓷的零點(diǎn)將發(fā)生偏移：柔性鉸鏈數(shù)學(xué)建模計(jì)算由于外部彈性載荷使壓電

11、陶瓷位移變化量： 要求微進(jìn)給工作臺(tái)的行程大于10m,設(shè)計(jì)取行程為15m，則彈性鉸鏈的剛度為： 硅梁數(shù)學(xué)建模計(jì)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(xué)建模計(jì)算由 可求得查得硅的斷裂強(qiáng)度為有 （ ） 從而有 硅梁數(shù)學(xué)建模計(jì)算可得從而取 取L=1000um,則H=100um 但是經(jīng)過(guò)ANSYS仿真分析發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力為 ，硅梁已經(jīng)折斷，故需要調(diào)整尺寸。取L=1000um,則H=50um ，通過(guò)仿真分析優(yōu)化最后確定L=2000um, H=220um 研究方案一臺(tái)體的應(yīng)力分布仿真分析臺(tái)體的位移形變仿真分析臺(tái)體的模態(tài)分析工作臺(tái)* INDEX O

12、F DATA SETS ON RESULTS FILE * SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 2429.2 1 1 1 2 3487.6 1 2 2 3 5965.1 1 3 3研究方案二（臺(tái)體裝配示意圖）臺(tái)體零件圖臺(tái)體裝配圖研究方案二（傳感器外形示意圖）10um位移載荷仿真分析(2000*220)5nm位移載荷仿真分析(2000*220)傳感器模態(tài)分析硅梁尺寸長(zhǎng)-寬-后2000*1000*220 * INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE * SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP

13、CUMULATIVE 1 0.38151E+06 1 1 1 2 0.38171E+06 1 2 2 3 0.43047E+06 1 3 3可以看出傳感器的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出臺(tái)體的頻率，能夠?qū)崟r(shí)的響應(yīng)。壓阻的設(shè)計(jì) 1、壓阻尺寸確定 壓阻寬度：流過(guò)橋臂電流小于1-2mA。力敏電阻表面積最大功耗 、根據(jù) ， Rs=270， ，則 而橋 臂電流 。 若電壓10V，電阻4K，則電流1.25mA。則電阻條寬度w1.25/0.136，即w9.191m。因此選擇12m可以(考慮加工工藝性)。壓阻的設(shè)計(jì)壓阻長(zhǎng)度： ， 端頭因子 0.350.65； 拐角因子0.5；n拐角數(shù)；和 對(duì)應(yīng)不同寬度和的長(zhǎng)度。 當(dāng) ， ， 由

14、于阻條打折涉及到負(fù)壓阻效應(yīng)，所以計(jì)算電阻值時(shí)需考慮拐角因子；但是通常不考慮端頭因子。 因此， =177.18m，取178m。 若n=2，則 =153.78m，取154m，則實(shí)際長(zhǎng)度為77m。 壓阻的設(shè)計(jì)壓阻形式圖示 壓阻加工工藝流程設(shè)計(jì)2、加工工藝的確定以及版圖的繪制 最初設(shè)計(jì)工藝流程：壓阻加工工藝流程設(shè)計(jì)壓阻加工工藝流程設(shè)計(jì)修改后的具體的加工工藝流程如下圖所示 壓阻加工工藝流程設(shè)計(jì)壓阻加工工藝流程設(shè)計(jì)整體的版圖如下圖所示 壓阻加工工藝流程設(shè)計(jì)傳感器處理電路選用儀表放大器INA128傳感器處理電路采用兩級(jí)放大，將傳感器的輸出電壓進(jìn)行整形放大下一階段的工作 1、根據(jù)儀表放大器INA128設(shè)計(jì)并加工傳感器放大電路； 2、對(duì)傳感器進(jìn)行溫度調(diào)理，減小溫度變化對(duì)傳感器的影響； 3、搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)加工完的傳感器進(jìn)行檢測(cè)和標(biāo)定； 4、將傳感器與工作臺(tái)集成，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)是否達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。 存在的困難與問(wèn)題 1、壓阻傳感器制備過(guò)程中造成的不一致而帶來(lái)的誤差影響如何解決？ 初步計(jì)劃在