Mini/Micro LED巨量转移技术研究与发展现状

对巨量转移(Mass Transfer, MT)方案和运动定位平台(Motion Positioning Platform, MPP)的研究现状及其未来发展进行了详细阐述。根据芯片转移方式,将MT方案分为精准拾取-释放技术、自组装技术、滚轴转印技术、激光剥离技术,结合芯片转移效率和良率,论述了国内外MT方案的发展过程。在此基础上,从平台支撑方式,详细介绍了机械构型、气浮构型、磁浮构型和混合构型的MPP结构及工作原理,考虑运动行程、运动定位精度等因素,比较了MPP性能的优劣。展望了MT方案和MPP技术的未来发展方向,指出基于微孔液气双态介质的激光剥离MT和具备周向小角度修正以及轴向微高度调节能力的“机械+磁浮”混合构型MPP是Mini/Micro LED芯片转移技术的研究重点。

基于液压放大的压电微动平台设计与试验

针对传统微动平台难以满足微/纳米定位的要求,该文结合液压放大原理,提出一种基于液压放大的两自由度压电微动平台,并对其进行了结构设计。采用正交设计方法对其进行有限元双向流固耦合分析,优化了其结构参数。研制了实物样机并进行试验研究。开环控制试验结果表明,当压电驱动器输入为90μm时,压电微动平台最大输出位移为603.0μm,放大倍数约为6.7;闭环控制试验结果表明,采用分段微分、积分、比例(PID)算法能降低超调量,且响应时间、稳态时间均减小,稳态误差降低(为±0.2μm),实现了微动平台的大范围输出精密定位。

考虑模态分析的超高加速度宏微运动平台导轨架优化设计

超高加速度宏微运动平台具有定位精度高、误差小等优点,基于模态分析对超高加速度宏微运动平台的关键机构导轨架进行优化设计,以实现平台的性能优化。采用SolidWorks软件搭建导轨架模型,通过ANSYS Workbench软件进行模态分析、拓扑优化和响应面优化等,在保持1阶固有频率稳定的前提下尽可能降低导轨架的质量。结果表明:响应面的优化符合预期目标,导轨架的1阶固有频率增加了0.7%,质量从6.165 kg减小到5.592 kg,变化率为9.2%,达到了轻量化的目的。

大行程解耦微定位平台的设计与研究

针对目前研制的微定位平台行程小及耦合误差大等问题,提出了一种由压电作动器(PEA)驱动的二自由度微定位平台,设计了由二级杠杆放大机构和Scott-Russell机构串联组成的三级位移放大器,以扩大工作行程。采用平行轴式直圆型柔性铰链与并联构型的双复合式平行移动副消除运动耦合误差。通过有限元仿真和实验对平台性能进行了分析与测试。结果表明,设计的微定位平台工作行程超过170μm×170μm,耦合误差小于1.2%,位移分辨率可达5 nm,信号跟踪误差最大为2.16%,验证了微定位平台的定位精度和模型的正确性。

超高加速度宏微运动平台基座模态分析与优化设计

超高加速度宏微运动平台基座与音圈电机共振会严重影响平台的定位精度。以基座为研究对象,以提高基座1阶固有频率和降低质量为研究目标,利用SolidWorks和ANSYS Workbench进行模态分析、拓扑优化、直接优化和响应面优化分析,获得了模态振型、固有频率和优化方案,并对优化后的模型重新进行有限元分析。结果表明:基座1阶固有频率增加6.8%,质量减小8%,提高1阶固有频率同时实现了基座轻量化。

多点接触粘滑驱动微动平台复合运动模型构建

为了精确模拟基于多点接触粘滑驱动原理的微动平台动态微位移输出,验证粘滑驱动原理在微动平台应用的可行性,课题组基于4稳态电磁执行器的粘滑驱动微动平台,建立了一种复合动态模型。该动态模型包含4个子动态模型,即磁力计算模型、LuGre摩擦模型、碰撞反弹模型和质心偏移模型;课题组在此基础上搭建了实验平台,研究了不同驱动电流对微动平台动态输出位移影响。结果表明:复合动态模型模拟动态位移输出与实验输出趋势基本一致,验证了所提出和建立的复合动态模型的有效性。

电泳辅助微细超声加工机床设计与实验

微细超声加工时,加工区域内的磨粒会被高频振动的工具或工件振出加工区,使加工区域出现无磨粒,导致工具与工件直接作用,影响加工质量与加工效率。为解决上述问题,提出了一种电泳辅助微细超声加工新技术。利用超微磨粒的电泳特性,通过在工具电极与辅助电极之间施加电场,溶液中的超微磨粒泳动到加工区域,甚至是附着或半附着在微细工具上,保证了加工区域磨粒的存在,从而提高微细超声加工质量、加工效率。针对新技术,设计了电泳辅助微细超声加工机床并进行了实验,机床硬件部分包括主轴设计、运动系统硬件设计、电泳辅助微细超声加工工作液槽设计及数据采集系统硬件设计;基于LabVIEW软件开发恒力控制加工控制系统,包括初始化模块、运动控制选择模块、粗对刀模块、恒力对刀模块、恒力控制加工模块以及实时显示模块。开展了微细超声加工与电泳辅助微细超声加工对比实验研究,实验结果表明,在保持其他加工参数相同的条件下,电泳辅助微细超声加工的孔边缘质量更好,微细超声加工后的孔底表面粗糙度Sa=3.008μm,而电泳辅助微细超声加工后的孔底表面粗糙度Sa=1.494μm。

新型并联柔性铰链微动精密平台的研究

基于3-PRC并联机构提出一种由压电陶瓷驱动的新型3-PRC并联微动平台,并进行了构型优化设计;采用矢量法对该平台的位置进行分析,并给出了该平台的理论耦合性误差;采用有限元对其运动解耦性进行了研究。最后制作了实验样机,并进行了实验测试。研究结果表明,该并联微动平台可以实现微米级三维移动,具有较高的精度和良好的运动解耦特性。

微动工作台的误差源分析

并联微动工作台广泛用于高精度场合,制造误差、装配误差、以及工作过程中温度与重力的作用都会影响到终端定位精度,因此有必要对误差源进行研究。以一种3-PPTTRS微动工作台为例,利用矢量闭环,在微动工作台单支链标准模型的基础上建立基于杆长的误差模型和基于柔性铰链的误差模型。考虑到杆的制造误差、柔性铰链的制造误差、装配误差、驱动部件的运动误差和温度变化引起的杆长不准确,建立相应的矢量闭环方程。分别分析柔性转动副、柔性球副和柔性胡克铰的制造误差和装配误差对微动工作台终端定位精度的影响,详细分析切入半径的误差、切入圆圆心沿x方向的位移偏差、切入圆圆心沿y方向的位移偏差、沿z方向的偏转等柔性铰链制造误差以及垂直度、同轴度等柔性铰链装配误差对微动工作台终端位姿的影响。分析温度和重力对精度的影响。有限元仿真结果表明,温度对微动工作台的影响很大,而重力的影响基本上可以忽略不计。该方法对复杂并联微动机器人的精度设计提供了有效的途径。

双柔性平行六连杆微动平台结构的设计及测试

采用直圆型柔性铰链设计了承载能力较大的双柔性平行六连杆微纳定位平台,并对其性能进行了测试。基于柔性铰链经典刚度公式计算了直圆型柔性铰链转动刚度,推导了双柔性平行六连杆微动平台在运动方向的整体刚度函数;建立了平台的动力学模型,得到了平台的固有频率解析式。基于静动态特性优化设计了双柔性平行六连杆微纳定位平台,得到了平台的优化参数。基于激光干涉仪和多普勒激光测振仪建立了平台的静动态特性测试系统。对微纳定位平台进行了试验和测试,结果显示:刚度的理论计算值为7.92N/μm,试验值为7.44N/μm,误差为6.5%;固有频率的理论模型值为349.9Hz,实验值为342.2Hz,误差为2.3%。空载和加载为250、500、2 000、2 250、2 500g时的平台位移表明加载不均匀会对平台输出位移产生较大的影响,当加载为2 500g时,不均匀加载对位移的影响量约为均匀加载的5倍。此外,平台最大位移为56.59μm。重复定位精度测试显示,在施加电压50、100、150V时,定位平台在同一输入电压下的位移最大偏差为0.896μm。实验结果表明,建立的双柔性平行六连杆的刚度和固有频率计算模型是正确的,设计的微动平台的最大位移及精度可满足设计要求。

线性偏摆复合型压电微动平台

为了研究微/纳米技术在光学、精密加工和精确定位等领域的应用,提出了一种线性偏摆复合型压电微动平台,以实现线性运动和偏摆运动。对平台的组成和工作原理进行阐述,建立两种运动的数学模型,并进行运动性能仿真。根据拟定的尺寸加工出样机,对样机的运动能力和频响特性进行测试。最后,通过比例积分微分(Proportional Integral Derivative,PID)反馈实现对平台的跟踪控制。仿真和实验结果表明:该平台具有良好的运动精度和解耦性,一阶固有频率可以达到333.8 Hz,能够实现24.924μm的线性运动和1.330 mrad的角度摆动,实现了微/纳米级别的运动,在精密光学、精确定位等领域具有广阔的应用前景。

宏微运动平台连接架的多工况动力学特性分析

为探究宏微运动平台连接架在多工况下的动力学特性,针对宏微运动过程中的连接架进行了多工况受力分析。利用有限元方法,对各个工况下的连接架开展静态和动态分析与计算,得到了相应的应力和变形分布,并获得了连接架最大应力和变形随载荷变化的规律。通过计算振动模态,得到了前6阶固有频率和振型。利用锤击法进行测振实验,实验结果验证了仿真数据的正确性。

压电驱动微动平台结构的设计优化和仿真分析

采用双平行柔性铰链结构设计了一种二维微动平台,并计算了微动平台各方向的刚度。根据约束条件,建立了理论刚度数学模型;采用序列二次规划(SQP)算法对平台结构进行多目标优化,并通过MATLAB软件对数学模型进行求解;利用ANSYS软件对优化后平台的位移、刚度和固有频率进行仿真分析。理论计算和仿真结果表明,微动平台具有良好的静、动态特性。

新型基于6-PSS三维平台机构的并联微动机器人

提出一种新颖的基于 6 - PSS并联三维平台机构的微动机器人并介绍其结构布局特点 ,应用 Jacobian矩阵和力 Jacobian矩阵的子阵 ,分别对其线速度与角速度和力与力矩的各项同性进行了分析计算 ,并建立显式的微位移正解和反解方程 ,为其设计和使用提供理论依据。分析计算结果表明 ,该微动机器人算法与控制简单 ,微位移解耦和速度与力各向同性 ,具有最佳的运动和力传递性能。

雷达平台运动特性及其对一维距离像影响分析

分析运动特性对雷达一维距离像的影响是研究运动平台下雷达运动补偿、检测、识别和跟踪等方法的前提。针对这一问题,首先分析了雷达平台的运动特性,推导了运动平台下雷达线性调频信号回波模型,定量地分析了运动特性对一维距离像的影响,给出通常雷达平台的运动特性和时宽带宽积条件下,平台微动对径向运动速度、加速度的影响可以忽略;平台平动是影响一维距离像的主要因素,平台微动对一维距离像影响不大;平动加速度对目标一维距离像的影响可以忽略的结论。最后通过仿真实验验证了分析结论的正确性。

压电微动平台的精密运动控制

宏微复合精密定位平台主要应用于微电子制造以实现高速、高精度、大行程定位。压电微动定位平台主要表现出滞后非线性,是实现精密运动控制的巨大障碍。主要针对双光子聚合加工系统中压电微动平台定位精度较低以及会产生抖动等问题进行分析,采用一种新颖的使用具有不确定性和干扰估计的RBF网络自适应鲁棒滑模控制方案,该方案可以实现压电微动定位平台的精确运动控制。并对所辨识的模型采用Matlab的Simulink模块进行仿真,其仿真结果证实了所提出控制方案的优越性,验证了模型的有效性。此外,也验证了存在模型干扰和外部干扰的情况下该控制器具有良好的鲁棒性和自适应能力。报告的RBF网络自适应鲁棒滑模控制方法也可以扩展到其他类型系统的鲁棒控制中。

微型钻针芯厚快速光学自动化测量系统开发

针对微型钻针芯厚测量设备存在着准确性差、成本高、效率低等缺点,利用NI相关产品软件及硬件的整合能力,针对运动控制、逻辑控制、机器视觉、图像处理、数据采集与运算等功能进行系统整合,开发钻针芯厚光学自动化测量系统。该微型钻针芯厚测量系统通过实验证明:测量单一钻针截面所需的时间在30 s以内;芯厚测量重现性可达±1μm的范围以内;测量准确度可达±2μm的范围以内,该系统能有效提升钻针芯厚测量的效率与可靠性。

微型钻针芯厚快速光学自动化测量系统开发

针对微型钻针芯厚测量设备存在着准确性差、成本高、效率低等缺点,利用NI相关产品软件及硬件的整合能力,针对运动控制、逻辑控制、机器视觉、图像处理、数据采集与运算等功能进行系统整合,开发钻针芯厚光学自动化测量系统。该微型钻针芯厚测量系统通过实验验证:测量单一钻针截面所需的时间在30s以内,芯厚测量重现性可达±1μm,测量准确度可达±2μm,该系统能提升钻针芯厚测量的效率与可靠性。

一种3-RSS微动并联平台的误差分析

微动并联平台应用于微芯片装配、光纤对接、细胞操作具有亚微米运动精度的工作场合,因此必须保持很高的精度。但是实际微动并联平台存在着各种制造误差,这些误差会对微动并联平台的精度产生影响。以一种3-RSS微动并联平台为例,考虑到杆长误差、转动副和球副的偏移误差,分析了各种误差模型下的闭环矢量方程。选常用微动并联平台的运动轨迹,反解出各个误差模型下陶瓷驱动器的驱动曲线,将驱动曲线导入ANSYS14.0中各误差模型的有限元模型中,通过探针命令求出微动动平台中心点应变值,与理想轨迹进行对比,得到轨迹对比图。分析各种误差模型的轨迹对比图,最后得出结论:球副的加工误差对微动并联平台的精度影响最大。分析了得到各种误差模型下的误差值,为之后的控制奠定了基础。

超高加速度宏微运动平台连接臂的疲劳寿命分析研究

宏微运动平台连接臂是宏微运动平台的关键部件,其工作寿命影响着宏微运动平台的使用时间与定位精度。联合SolidWorks、ANSYS Workbench和nCode DesignLife对连接臂进行有限元仿真。通过SolidWorks建立连接臂的三维模型,导入到ANSYS Workbench中进行静力分析、模态分析和瞬态动力学分析,获得危险点的位置、固有频率、振型、应力和变形随时间变化曲线以及疲劳载荷谱数据。将瞬态动力学分析结果和载荷谱数据导入到nCode DesignLife中进行疲劳评估,得到连接臂疲劳寿命和疲劳损伤结果云图。结果表明:连接臂危险点主要分布在连接臂右端的脖颈处;在工作中,宏微运动平台连接臂不会与音圈电机发生共振现象;连接臂危险点处的最低寿命为1.047×10^(14)次。