基于SEM的压电式微纳操纵系统

微纳操纵系统是当前先进制造技术领域的一个重要发展方向。为了实现在亚微米及纳米尺度下进行实时观测下的操纵,设计了一种基于扫描电镜(SEM)的压电式微纳操纵系统,本系统由数字式环境扫描电子显微镜系统、精密工件台、微纳操作机构、图形发生器和计算机系统组成,采用数字式环境扫描电子显微镜作为微纳操作的观测器,在SEM的样本室内安装微纳操作臂,计算机系统控制微纳操作臂,使其在SEM的实时观测下对放置在精密工件台上的样本进行操纵,并且还可利用图形发生器进行电子束曝光以制备微纳结构。实验证明,本系统不仅能适于在各种环境下进行微纳操纵,且还可制作微纳结构,具有很强的实用性。

微纳操纵成像系统的线性自抗扰控制器设计

针对比例积分(PI)控制微纳操纵成像系统存在控制精度低、抗干扰能力弱等问题,提出了一种基于线性自抗扰的控制方法。该文分析了微纳操纵成像系统的结构及数学模型,并设计了线性自抗扰控制器,利用所得模型的参数,确定带模型信息的线性扩展状态观测器的部分参数和PI控制器的参数。在Matlab/Simulink中搭建控制器模型,并进行仿真实验的对比。结果表明,该研究与传统PI控制相比,具有控制精度高,抗扰能力强等特点,有效改善了系统的性能。

微纳操纵成像系统自适应模糊PI控制器设计

在传统PI控制微纳操纵成像系统的基础上实现参数实时在线调整。为了获得更好的控制效果,进行了自适应模糊PI控制的微纳操纵成像系统仿真研究。运用探针与样品之间原子力保持不变的原理对微纳操纵成像系统动态过程进行建模,加入模糊PI控制模块,建立了一套完整的系统仿真平台。设计了一种自适应模糊PI控制器,该控制器通过对电压值的误差和误差变化的判断进行模糊化推理,实现对控制参数的实时在线整定,以达到优化控制的目的;同时,利用Matlab进行仿真研究。结果表明,自适应模糊PI控制算法比传统PI控制算法能有效地改善系统的动态性能和稳态性能。

微纳操纵成像系统的微分前馈自抗扰控制研究

微纳操纵成像系统是探索微观世界的重要工具,传统比例积分(PI)控制器存在参数难调节,控制精度低,抗干扰能力弱等问题。该文在自抗扰控制的基础上,针对高频周期信号下自抗扰控制存在较大跟踪误差,加入微分前馈环节。首先给出微纳操纵系统结构的数学模型,设计出基于模型信息的自抗扰控制器;再利用已知信息给出微分前馈量;最后在Matlab中进行仿真验证。仿真结果表明,对比线性自抗扰及PI控制,微分前馈的自抗扰控制具有较小的跟踪误差,系统抗干扰能力有显著提升。

微纳操纵成像迭代学习前馈反馈控制研究

由于迭代学习前馈反馈控制方法面对具有重复运动性质系统时,既能加快收敛速度又能降低收敛误差,本研究将其引入到微纳操纵成像系统来提高扫描器的跟踪精度。首先,提出了开环比例微分(Proportional differential,PD)型迭代学习结合闭环反馈PD型学习律,并给出了学习律收敛条件,同时为了降低系统运行时间,提高学习效率,将传统的固定学习增益变为指数变增益。其次搭建了基于微纳操纵成像系统的迭代学习控制器,并进行了仿真分析。结果表明,相较于开环迭代学习控制、闭环迭代学习控制,迭代学习前馈反馈控制最大收敛误差最低,且鲁棒性强,算法易于实现,能有效地满足扫描时轨迹跟踪的精度要求。

投影曝光系统水凝胶齿轮结构制造及其动力学仿真

搭建一套基于投影曝光的微立体光刻系统,成功制备了聚乙二醇丙烯酸酯(PEGDA)水凝胶材料的齿轮微结构。在分析材料特性及微结构流体动力学原理的基础上,利用COMSOL Multiphysics软件进行了水凝胶微齿轮的建模与仿真,验证水凝胶材料的可打印性和结构稳定性,完成水凝胶的个性图案化定制加工。

基于光诱导介电泳技术的粒子分离研究

首先介绍了光诱导技术和介电泳技术的基础理论,并以此分析了光诱导介电泳的工作原理;其次,利用COMSOL Multiphysics软件建立仿真模型,对3种不同尺寸的圆环光斑产生的电场和介电泳力进行仿真,以验证光诱导介电泳技术分离粒子的可行性,同时为实验提供参考数据;最后,进行实验操作,验证利用光诱导介电泳技术分离粒子的正确性,并通过光诱导介电泳技术实现对粒子的高效无损的分离操作。

光电子镊的研究进展

光电子镊是在介电泳基础上发展出来的一种新型微粒操纵技术,利用投影原理将光图案投影于具有光电效应的光电导层,产生虚拟电极,以此来实现对微粒的。相对于传统的介电泳操纵,光电子镊最大的特点是具有可灵活操控的虚拟电极,通过软件控制可以在光电导层的任意位置形成需要的光学图案从而达成灵活的操纵效果。阐述了光电子镊的实验系统和工作原理,并详细介绍了其研究进展和在微纳操纵方面的应用。