基于双重驱动技术的三维纳米定位系统的研制

论文摘要

随着科学技术的发展,航天技术、微电子工程、计量科学与技术、光学与光电子工程、精密工程、生物工程、纳米科学与技术等领域迫切需要纳米定位技术。纳米定位技术己成为前沿科学、工程技术领域的关键技术之一。纳米定位技术是一个跨学科的技术,它涉及到光学、机械、电子、物理学、自动化、计算机等许多领域的知识。目前,在材料科学研究领域、生物学、医学、半导体材料与器件、地质勘探、刑事侦察、冶金等领域均广泛应用了SEM(扫描电子显微镜),TEM(透射电子显微镜)及FIB(聚焦离子束电子显微镜)等设备。这些设备就好比通向微观世界的眼睛,人们可以通过他们直接观测到样品的微观信息。但随着各领域研究的不断深入,仅仅“看”到这些微观信息已经不能满足研究人员的需求了。在更多情况下,人们希望电镜中有一双“手”,来实现对被测物体的操纵(如移动、定位、加工)和测量(如三维形貌测量、电学测量、力学测量等)。这种微纳米量级的操纵和测量不但要求操纵工具具有非常高的运动分辨率,而且要有精密的作用力控制功能,以防止在操纵样品的过程中损坏样品。可见,纳米科学与技术的发展依赖纳米定位技术的发展。针对上述情况,本文研制了一款采用双重驱动技术的三维纳米定位系统。该系统以微处理器C8051F340为控制核心,以四分压电陶瓷为微位移驱动,以超声波马达为宏位移驱动,结合由高压精密运算放大器PA86与高速D/A转换器AD5362构成的微驱动和由D/A转换器AD667与AB1A驱动器构成的宏驱动,达到了纳米级的定位。系统性能稳定、工作可靠、定位误差小、精度高,可以实现三维空间的精确定位,定位精度可达2nm。本文分析了基于双重驱动的三维纳米定位系统工作原理,介绍了系统硬件结构、软件设计,并给出了系统框图及测试数据。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 纳米定位技术应用
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本课题来源主要技术指标
• 1.5 纳米定位系统的主要组成部分
• 1.6 本文的研究内容
• 第二章 纳米定位系统硬件设计
• 2.1 整体方案设计
• 2.2 微控制器
• 2.3 Joystick 控制器
• 2.3.1 Joystick
• 2.3.2 按键显示控制器 BC7281
• 2.3.3 BC7281 外部电路
• 2.3.4 Joystick 控制器电路图
• 2.4 宏驱动电路
• 2.4.1 超声波马达
• 2.4.2 AB1A 驱动
• 2.4.3 数模转换器AD667
• 2.4.4 继电器电路
• 2.4.5 ST 马达驱动电路设计
• 2.5 微驱动电路
• 2.5.1 压电陶瓷致动器
• 2.5.2 压电陶瓷微位移器件控制模型
• 2.5.3 四分管状压电陶瓷管位移特性
• 2.5.4 压电陶瓷驱动设计
• 2.6 系统电源设计
• 2.6.1 电源的可靠性设计原则
• 2.6.2 电源设计的经济性原则
• 2.6.3 电源的总体设计方案
• 第三章 纳米定位系统软件设计
• 3.1 BC7281 控制
• 3.1.1 BC7281 写操作
• 3.1.2 BC7281 读操作
• 3.2 AD667 控制
• 3.3 AD5362 控制
• 3.4 下位机USB 通信设计
• 3.5 PC 机USB 通信设计
• 第四章 测试结果
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表的论文
• 附录
• 致谢