纳米操作机驱动装置控制方法研究与实验设计

摘要

纳米技术正在被越来越多的技术人员和机构所关注，越来越被重视并迅速发展。纳米操作是纳米技术的基础技术，现在以分子、原子以及纳米级物质的加工、操作技术已经非常炙手可热。纳米操作系统（这里指纳米操作机和电镜的集成系统）是一个通过末端执行机构对纳米级物体进行操作的系统，可以应用在例如医学、生物、电子工程等不同的领域。基于SEM的纳米操作系统具有实时成像、样品不受基底影响、可多机械手协调工作、操作空间大、更高的自由度和灵活性、可进行复杂三维操作等优点，在医疗、生物、纳米材料、环境等方面有很大的潜力。本文是基于SEM的纳米操作系统的课题里面的一部分，针对在SEM内部进行纳米操作这一领域，研究的主要内容有:
　　第一章中给出了纳米技术、纳米操作系统的背景，纳米技术、纳米操作系统、纳米操作控制技术研究现状，交代了课题的来源及其意义。
　　第二章中给出了纳米操作机的介绍，纳米操作机和SEM（扫描电子显微镜）的集成研究。分析了SEM的结构以及工作原理，纳米操作机的结构以及组成。给出了压电致动器的粘滑驱动原理分析，粘滑驱动电路设计。
　　第三章中对压电致动器建模，通过对叠堆型压电陶瓷的电学模型和机械动力学模型进行分析和结合得到最终的输入电压与输出位移之间的关系公式。紧接着对数字PID进行了必要的说明，为本章对模型的控制以及第四章基于数字PID的改进算法做了铺垫。最后在MATLAB下对建模得到的传递函数使用PID控制，对PID参数进行整定后试验并得到实验结果以及结果分析。
　　第四章中首先对BP（反向传播）神经网络进行了必要的分析推导，紧接着给出了基于BP神经网络的PID控制算法的控制模型、函数信号以及误差信号的计算方法、系统BP神经网络的训练方法。随后使用S函数以及Simulink模块直观的对比两个控制算法在相同输入信号下面的输出，最后对二者进行比较分析。得到了基于BP神经网络的PID控制算法比数字PID控制算法控制效果更好的结论。最后给出了改进算法的进一步改进方向，提出了可以尝试的新途径。
　　第五章中对操作系统的安装以及试验操作步骤进行说明，对纳米线的操作策略进行分析以及如何使用EBID对纳米线进行拾取和放置。最后给出了测量纳米线电阻、压阻、以及四探针自动测量测量的操作方法，并对涉及到的MEMS（微机电系统）、肖特基势垒、图像处理算法等做了必要的说明。在最后，给出了对锡纳米线的阻值测量曲线和硅纳米线在不同应变下的阻值曲线。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 纳米技术

1．1．2 纳米操作系统

1．2 研究现状

1．2．1 纳米技术现状

1．2．2 纳米操作系统现状

1．2．3 驱动器控制技术现状

1．3 课题来源

1．4 本文研究内容

第2章 SEM和纳米操作机集成设计

2．1 SEM扫描电镜

2．2 纳米操作机

2．3 SEM与纳米操作机集成

2．4 粘滑驱动电路设计

2．4．1 粘滑驱动原理

2．4．2 驱动电路设计

2．5 本章小结

第3章 驱动器建模及其闭环控制

3．1 压电致动器建模

3．1．1 电气特性建模

3．1．2 机械特性建模

3．2 常规PID

3．3 数字PID

3．3．1 位置式PID控制

3．3．2 增量式PID控制

3．3．3 积分分离PID控制

3．3．4 抗饱和积分PID控制

3．4 数字PID参数整定

3．4．1 控制率的选择

3．4．2 参数整定

3．4．3 S函数说明

3．4．4 Simulink仿真

3．4．5 仿真结果

3．5 本章小结

第4章 改进后的BP-PID控制算法研究

4．1 BP神经网络算法设计

4．1．1 BP神经网络的结构设计

4．1．2 BP算法设计

4．1．3 BP神经网络的学习步骤设计

4．1．4 BP神经网络实现

4．2 基于BP神经网络的PID控制算法研究

4．2．1 控制系统数学模型

4．2．2 函数信号和误差信号的计算

4．2．3 BP神经网络的训练

4．3 控制系统仿真研究

4．3．1 实验结果及分析

4．3．2 控制算法的改进

4．4 本章小结

第5章 实验方法研究

5．1 实验系统结构设计

5．2 实验操作动作设计

5．2．1 纳米线操平移操作策略

5．2．2 EBID操作

5．2．3 纳米线的拾取放置操作

5．3 电阻测量

5．4 硅纳米线压阻测量

5．4．1 MEMS传感器

5．4．2 肖特基势垒

5．5 四探针测量纳米线

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

附录

致谢