半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

賓偉雄

摘要：本文首先對(duì)半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)的開發(fā)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述;其后，圍繞微定位平臺(tái)、微定位控制器兩個(gè)方面入手，重點(diǎn)研究了半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)策略。意在通過(guò)本文的分析，為微定位技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)踐與應(yīng)用發(fā)展提供本文幫助。

關(guān)鍵詞：微定位技術(shù);控制系統(tǒng);柔性鉸鏈

0 ?引言

近幾年，隨著現(xiàn)代科技水平的不斷發(fā)展，微定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了極大進(jìn)步，并越來(lái)越多地被應(yīng)用到了微型機(jī)械制造、精密器件加工、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、集成電路改造等領(lǐng)域當(dāng)中。在此背景下，我們有必要對(duì)半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用進(jìn)行討論探究。

1 ?半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)的開發(fā)結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整、優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)應(yīng)具備以下四點(diǎn)屬性：第一，保有理想的運(yùn)動(dòng)空間與控制自由;第二，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)幅度的微米級(jí)控制;第三，保證定位精度達(dá)到微米級(jí)或納米級(jí);第四，可實(shí)現(xiàn)定位控制信號(hào)的快速響應(yīng)與穩(wěn)定反饋。半導(dǎo)體微定位系統(tǒng)主要由移動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位移檢測(cè)機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)四個(gè)部分。在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行中，首先由控制系統(tǒng)發(fā)出操作信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換觸發(fā)定位平臺(tái)的位移驅(qū)動(dòng)器。其后，位移驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電壓對(duì)位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)形成驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而支持運(yùn)動(dòng)副完成運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的初步微位移。此時(shí)，位移檢測(cè)機(jī)構(gòu)便會(huì)對(duì)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的偏移情況進(jìn)行檢測(cè)采集，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將采集結(jié)果發(fā)送回控制系統(tǒng)。這樣一來(lái)，便可形成一個(gè)持續(xù)運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，促使運(yùn)動(dòng)點(diǎn)不斷趨向于預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)面，最終達(dá)到精準(zhǔn)的微定位目的[1]。

現(xiàn)階段，半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器多為壓電陶瓷結(jié)構(gòu)，其具有體積小、響應(yīng)快、能耗低、分辨率高等特點(diǎn)，具有良好的系統(tǒng)開發(fā)優(yōu)勢(shì)。位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的位移傳遞，有滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌、柔性鉸鏈等多種類型。基于經(jīng)濟(jì)性、抗干擾性、應(yīng)力作用影響等方面的綜合考慮，半導(dǎo)體微定位系統(tǒng)硬件平臺(tái)中的位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)多為柔性鉸鏈。位移檢測(cè)機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)面上目標(biāo)點(diǎn)位的測(cè)量和采集，業(yè)內(nèi)應(yīng)用較廣泛的類型有電容傳感器、光柵尺、激光傳感器等。其中，電容傳感器在半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛。控制系統(tǒng)是微定位系統(tǒng)中最基礎(chǔ)也最重要的組成部分，其主要負(fù)責(zé)控制、檢測(cè)等各類信號(hào)的發(fā)出、分析與反饋，促進(jìn)微定位系統(tǒng)形成完整、持續(xù)的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行中，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)延遲、蠕變等非線性問題，進(jìn)而對(duì)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)精度與控制穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，在半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，相關(guān)人員必須要做好控制系統(tǒng)的模式選擇，以便通過(guò)有效的信號(hào)反饋降低驅(qū)動(dòng)器非線性效應(yīng)的影響程度。

2 ?半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

2.1 微定位平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

微定位平臺(tái)作為微定位技術(shù)的硬件核心，對(duì)半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)定位與運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)性具有直接作用。因此，微定位系統(tǒng)的應(yīng)用質(zhì)量，在很大程度上取決于微定位平臺(tái)的技術(shù)水平。現(xiàn)階段，微定位平臺(tái)的應(yīng)用設(shè)計(jì)主要包括柔性鉸鏈、動(dòng)力機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分。其中，柔性鉸鏈多在微定位平臺(tái)的基體板上加工形成，其具有一定的薄弱性與活動(dòng)性，可通過(guò)拉伸、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)變化實(shí)現(xiàn)力的傳遞，進(jìn)而在平臺(tái)中推動(dòng)定位點(diǎn)的移動(dòng)。相較于傳統(tǒng)中剛體運(yùn)動(dòng)副的活動(dòng)聯(lián)接形式，柔性鉸鏈具有摩擦力小、潤(rùn)滑需求低、沖擊力弱等應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，符合精密性、穩(wěn)定性的微控制需求，因此廣泛被應(yīng)用于微操作領(lǐng)域當(dāng)中。同時(shí)，柔性鉸鏈與微定位平臺(tái)的基體板共為一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、裝配簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可有效降低微定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)成本。但需要注意的是，由于柔性鉸鏈相對(duì)薄弱，其在拉伸、轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程當(dāng)中可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中的情況，進(jìn)而逐漸產(chǎn)生一定的材料疲勞，對(duì)微定位系統(tǒng)的控制精度產(chǎn)生影響。對(duì)此，業(yè)內(nèi)對(duì)柔性鉸鏈的剖面形狀進(jìn)行了深入研究，進(jìn)而形成了包含直角剖面、橢圓剖面、正圓剖面、特殊曲線剖面等多種形狀在內(nèi)的設(shè)計(jì)體系，可對(duì)柔性鉸鏈的位移范圍、旋轉(zhuǎn)剛度、應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行有效調(diào)整。在實(shí)踐當(dāng)中，相關(guān)人員應(yīng)在半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)的精度要求的基礎(chǔ)上，盡量保證柔性鉸鏈在輸出為宜與旋轉(zhuǎn)剛度上的平衡性，以便達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果。

在微定位系統(tǒng)的固定端與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間，有多條柔性鉸鏈組成的運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)，便是微定位平臺(tái)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。從當(dāng)前來(lái)看，常用的動(dòng)力機(jī)構(gòu)應(yīng)用模式主要有單平行機(jī)構(gòu)和雙平行四桿機(jī)構(gòu)兩類。當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)受力時(shí)，其與固定端之間的柔性鉸鏈會(huì)隨之發(fā)生形變。此時(shí)，但單平行機(jī)構(gòu)下的柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為，動(dòng)力機(jī)構(gòu)整體的耦合位移為其中x為由半導(dǎo)體IC驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位移路程，l為柔性鉸鏈的臂長(zhǎng)，d為耦合位移，θ為柔性鉸鏈的旋轉(zhuǎn)角度。由此可見，單平行機(jī)構(gòu)在保有較大位移路程的同時(shí)，也存在明顯的耦合問題，且耦合位移的數(shù)值會(huì)隨著輸出位移的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，進(jìn)而對(duì)機(jī)構(gòu)整體的精度產(chǎn)生影響。而在雙平行四桿機(jī)構(gòu)下，由于采用了對(duì)稱性的運(yùn)動(dòng)副布置結(jié)構(gòu)，柔性鉸鏈并不需要發(fā)生彎曲，僅做拉伸運(yùn)動(dòng)即可，進(jìn)而在很大程度上避免了耦合問題的出現(xiàn)。不足的是，雙平行四桿機(jī)構(gòu)中需要布置8個(gè)柔性鉸鏈，且各鉸鏈的位移存在一定限制，所以具有投入較高、位移程度相對(duì)較低的缺陷問題。因此，在半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，相關(guān)人員需要根據(jù)自身功能需求酌情選擇動(dòng)力機(jī)構(gòu)的模式[2]。

2.2 微定位控制器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

微定位控制器是半導(dǎo)體IC微定位系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性具有重要作用。微定位控制器可分為模糊系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩個(gè)部分。其中，模糊系統(tǒng)主要由模糊模塊、推理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)以及解模糊模塊組成。當(dāng)定位控制信號(hào)輸入后，首先需要通過(guò)模糊模塊進(jìn)行模糊化處理，再經(jīng)由推理模塊對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)的分析比對(duì)，進(jìn)而將分析結(jié)果以模糊集合的形式發(fā)送給解模糊模塊，以此完成最終驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，對(duì)控制系統(tǒng)及微定位平臺(tái)的操控動(dòng)作做出引導(dǎo)。

3 ?總結(jié)

總而言之，受惠于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微定位技術(shù)及其系統(tǒng)平臺(tái)在機(jī)械制造、儀器加工等領(lǐng)域中保有越發(fā)可觀的應(yīng)用前景。同時(shí)，基于微定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可選擇性，相關(guān)人員必須要根據(jù)自身具體的微定位、微控制需求，對(duì)微定位系統(tǒng)的定位平臺(tái)與控制器進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，以便達(dá)成應(yīng)用效益與成本效益的有機(jī)統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)：

[1]尚江坤，杜兆才.一種三自由度精密定位系統(tǒng)研究[J].航空制造技術(shù)，2018，61（22）：77-81.

[2]唐平.壓電陶瓷微定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真[D].西南交通大學(xué)，2017.