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面向微光学元件加工的纳米压印系统设计及过程仿真

作　者: 刘婷婷
导　师: 金鹏
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 微光学元件热压印电/气开关伺服系统压力控制结构设计
分类号: TH741
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 149次
引　用: 2次
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内容摘要

微光学元件是制造小型光电子系统的关键元件,有着广阔的应用前景。微光学元件的加工是其发展的主要瓶颈,而纳米压印技术可以高精度、高效率和低成本的实现连续浮雕微光学元件的批量加工。目前商业化的纳米压印设备大多致力于微电子行业纳米级线条图形的复制,然而对于微光学元件这种大面积、低深宽比的结构,研制一种适用于大范围压印的纳米压印机势在必行。压印机需具备以下特点:结构简单,使用方便,成本低;各个功能模块更换简单,易于改装;大面积压印压力均匀,上下压头平行度好。基于以上需求,本文主要工作如下:(1)研究了纳米压印工艺及主要压印参数对加工过程的影响对热压印中聚合物的填充过程进行建模,利用有限元软件模拟了热压印的填充过程并分析了不同压印时间对回弹的影响。最终得到优化的压印参数并用于微光学元件的加工实验。(2)完成了基于微光学元件加工的纳米压印机的设计与调试机械结构:完成了纳米压印设备机械结构的设计。以保证压力均匀为主要目标,首先采用龙门式封闭机身消除机身变形产生的误差。其次利用长短轴套分别与导柱配合减小压印时上下压头的不平行。最终设计了球面配合结构,保证在力执行器的轴线与机身轴线不平行时机构仍然运动自如。压力及温度控制计:设计了基于高速开关阀和气缸的压力控制系统。首先研究了电/气开关伺服系统的特性,采用脉宽调制技术(PWM)控制输入输出气缸的气体流量,并对PWM控制的气压伺服系统进行建模,得到了输出压力与控制量的关系,为控制算法的实现提供了理论依据。其次设计了基于MSP430F149的压力控制系统硬件,采用PID控制算法作为控制策略,成功达到了压力控制系统的设计指标。设计了加热和隔热机构,完成了温度控制系统的搭建,并达到系统要求。控制软件:编写了基于Visual C++的纳米压印机控制软件,可以用于参数的设定,压印过程的控制及数据(压力和温度数据)的保存和显示。(3)纳米压印机关键性能指标的测试及压印实验主要对以下性能进行测试:上下压头的平行度;压力控制系统的稳定性、线性度及分辨力;温度控制系统的性能及加热速率。其次利用优化的压印参数在调试完成的纳米压印机上进行了微光学元件的加工实验。实验结果表明该纳米压印机可以在大面积,宽结构尺度范围内得到均匀,完整的复制效果。

面向微光学元件加工的纳米压印系统设计及过程仿真

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