纳米级MEMS定位平台的驱动与控制方法研究

摘要

随着科学研究从宏观领域转到微观领域,人们对定位系统的定位精度的要求也从毫米级逐渐进入到了微米级甚至纳米级。目前,纳米级高精度MEMS定位系统已广泛应用于精密机械、超精密加工、生物工程、集成电路制造、医疗科学等领域。采用梳齿静电驱动的纳米级微定位平台具有效率高、精度高、不发热、响应速度快等优点,在光学、生物学等领域得到应用。但是该类型的定位平台所需的驱动电压较高,且梳齿静电驱动器的定齿与动齿有产生黏附效应(pull-in)的危险等缺点,因此梳齿静电驱动定位平台对控制器具有较高的要求。本文将针对梳齿静电驱动的相关特点展开对基于梳齿静电驱动的纳米级MEMS定位平台的驱动与控制方法研究。
　　 本文主要研究硅基集成式微型平面纳米级定位平台的驱动器与控制方法。在分析了梳齿静电驱动器的驱动原理及其特性的基础上,设计实现了纳米级MEMS定位平台的控制器及其控制算法。由于FPGA具有良好的灵活性、开发简易性,故控制器采用FPGA作为主控制器。为了条理地设计实现定位平台控制器将其硬件电路按功能划分为若干功能模块,对每个模块独立设计,最后结合为一个统一的硬件电路功能体。电路功能模块包括主控制器模块、输入输出模块、升压电路模块、功率放大模块、采样反馈模块。本文详细地介绍了各模块硬件电路的工作原理、器件选型以及设计实现,为使FPGA成为整个纳米级MEMS定位平台控制器的主控制器而对FPGA进行的逻辑功能设计开发过程。为了提高纳米级MEMS定位平台的定位的精度,对定位平台控制器采用积分分离式PID控制方法,文中介绍了它的工作原理并采用C/C++实现其算法过程。最后搭建了纳米级MEMS定位平台控制器的实验测试系统,对设计完成的控制器在开环控制及积分分离式PID控制下的性能进行实验测试,并根据实验测试结果进行分析和对比,得出控制器采用哪种控制方法时的性能更优。
　　 本文的工作为梳齿静电驱动的纳米级MEMS定位平台的驱动控制研究提供了理论和实践经验,研究成果具有一定的实际意义。