聚合物微纳结构热压印及操作机械手改进研究

摘要

聚合物热压印法可以大批量重复地在大面积上制备微纳米图形结构，是一种低制作成本和高生产效率的方法，可广泛用于制作纳米图案和MEMS器件。本文的主要研究内容如下： 在理解热压印原理基础上进行了纳米栅型结构器件和微结构光栅的制作实验。采用一种新的热压印工艺方法在硅基片PMMA薄膜上成功制作了具有最大线宽980nm，最小线宽71nm多种线宽尺寸的纳米栅型结构；分析了热压印温度和脱模温度对纳米栅型结构图形复制质量的影响。实验结果表明：在热压印温度110℃～120℃，脱模温度60℃～70℃条件下可以获得较好的图形复制质量，高温脱模有利于减少模板微沟槽内的PMMA残留物。最后，在对纳米热压印工艺改进的基础上，制作了微结构光栅器件。 操作机械手是实现高性能微流控芯片生产自动化、批量化的重要组成部分。在现有位置控制系统的基础上，采用基于力外环的机器人力控制方案，建立了一种“力外环包容位置环”的力反馈控制系统。设计了用于实现芯片搬运的末端执行器，通过分析简化力学模型讨论了摩擦力对测力过程的影响；然后对力反馈控制系统进行了建模分析，设计了一个系统辨别器来实现力/位置控制模式的切换。实验表明，此操作机械手力控制系统的控制精度符合设计要求，具有良好适应性。 从操作机械手与外界环境碰撞保护的角度进行了安全性设计研究。设计了一种能够感知碰撞发生信号，基于继电器和电磁制动器实现机器人保护的碰撞保护装置，计算分析了本装置对芯片操作机械手定位精度的影响。实验表明，此装置能够精密控制前冲惯性位移小于1mm，适应性强，不影响操作机械手定位精度，有利于提高微流控芯片自动化制作系统的自动化水平。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 论文的选题背景

1.2 聚合物微纳结构概述

1.3 聚合物热压印技术

1.4 工业机器人力控制概论

1.5 本文的主要研究内容

2 微纳结构器件的热压印实验研究

2.1 压印实验装置

2.2 聚合物热压印涂层的选择

2.3 纳米栅型结构器件的制作

2.4 微结构光栅的制作

2.5 本章小结

3 聚合物微纳结构操作机械手力控制系统设计

3.1 操作机械手末端执行器的设计

3.2 操作机械手力控制器的设计

3.3 操作机械手力控制系统的硬件电路实现

3.4 控制精度及重复精度实验

3.5 本章小结

4 聚合物微纳结构操作机械手防碰撞装置的设计

4.1 防碰撞保护装置的设计原理

4.2 制动装置的设计计算

4.3 防碰撞保护装置的性能测试试验

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢