基于MEMS微位移传感器的纳米定位工作台研制

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。

目录

基于MEMS 微位移传感器的纳米定位工作台研制

RESEARCH ON NANOMETERPRECISION POSITIONING TABLE WITHMEMS MICRO-DISPLACEMENT SENSOR

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

1.3 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

2.5 工作台台体设计

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

3.3 传感器硅梁结构的设计

3.4 压阻条设计

3.5 传感器加工与封装

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

4.3 系统传递函数的推导

4.4 经典PID 控制算法的研究

4.5 单神经元自适应PID 控制算法的研究

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

5.4 精密定位平台系统实验研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

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