納米定位微位移工作臺(tái)的控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著微機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，需要不斷研究能夠產(chǎn)生各種精細(xì)圖形和微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)。電子束曝光技術(shù)是目前公認(rèn)的最好的高分辨率圖形制作技術(shù)，主要用于0.1～0.5μm的超微細(xì)加工和精密二維掩模制作，在實(shí)驗(yàn)室條件下已能將電子束聚焦成尺寸小于2nm的束斑。但是目前廣泛使用的聚焦電子束由于加速電壓高、電子散射距離長(zhǎng)，光刻時(shí)高能電子束在對(duì)抗蝕劑的刻寫(xiě)過(guò)程中存在著鄰近效應(yīng)，使得實(shí)際曝光面積遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)圖形尺寸，影響了曝光分辨率。掃描隧道顯微技術(shù)(STM)由

2、于束徑細(xì)、電子運(yùn)動(dòng)距離短，有效減輕了鄰近效應(yīng)的影響，能獲得極細(xì)的刻蝕圖形，可用于制作掩模，為微細(xì)加工技術(shù)提供了一條新的途徑。 目前掃描隧道顯微鏡還沒(méi)有偏轉(zhuǎn)方面的研究，實(shí)現(xiàn)曝光只能通過(guò)工作臺(tái)的移動(dòng)來(lái)完成。機(jī)械位移方式由于存在著間隙、摩擦以及爬行現(xiàn)象等缺點(diǎn)，定位精度不夠高，所以目前最適合于納米級(jí)精度定位的工作臺(tái)是由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的，但是壓電陶瓷材料本身所固有的遲滯非線(xiàn)性和蠕變特性，降低了工作臺(tái)的定位精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，造成了一定的位移

3、誤差。為了獲得滿(mǎn)足要求的運(yùn)動(dòng)精度和分辨率，需要研究壓電陶瓷的遲滯非線(xiàn)性機(jī)理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路和控制策略。本文主要圍繞微位移工作臺(tái)的精確定位問(wèn)題，借助于智能控制理論，對(duì)工作臺(tái)的模型辨識(shí)和控制技術(shù)進(jìn)行了較全面和較深入的研究，并在所建立的微位移平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提出方法的可行性。主要工作概括如下： 1.在分析和比較目前各種微位移機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)定位精度的微位移工作平臺(tái)。壓電陶瓷材料的尺寸小、位移分辨率高

4、、響應(yīng)速度快、而且易于控制，而柔性鉸鏈不存在機(jī)械摩擦和間隙，具有運(yùn)動(dòng)靈敏度高和分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，因此成為本文工作臺(tái)組成部件的首要選擇。由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、柔性鉸鏈導(dǎo)向的微位移機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)方式相比，不僅體現(xiàn)在能達(dá)到納米級(jí)的定位精度上，而且易于采用相應(yīng)的控制策略對(duì)其進(jìn)行位移誤差補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)測(cè)試和性能分析表明，能夠滿(mǎn)足本文的技術(shù)要求； 2.利用系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立了工作臺(tái)的數(shù)學(xué)模型。在此前對(duì)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究中，多采用基于模型的開(kāi)

5、環(huán)控制或傳統(tǒng)閉環(huán)控制，它們都需要精確的數(shù)學(xué)模型。雖然Preisach、Maxwell等學(xué)者在深入分析壓電陶瓷的內(nèi)在機(jī)理、動(dòng)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，提出了許多種行之有效的建模方法，大幅度提高了壓電驅(qū)動(dòng)器的跟蹤精度和定位精度，但是工作臺(tái)本身是一種時(shí)變不確定系統(tǒng)，模型的建立總存在著一定的滯后，而且在工作過(guò)程中，存在著外部干擾、樣品表面不同區(qū)域電特性的不同和功函數(shù)的不一致性，使得工作臺(tái)的機(jī)械參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)都可能會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)再采用傳統(tǒng)建模方法，必

6、然存在著較大的誤差。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以任意精度逼近非線(xiàn)性函數(shù)，具有自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)的能力，通過(guò)權(quán)值系數(shù)和閾值的調(diào)整，能夠建立與工作臺(tái)實(shí)際系統(tǒng)較為接近的數(shù)學(xué)模型，從而提出了一種微位移工作臺(tái)模型的在線(xiàn)建立和修正方法，為控制系統(tǒng)提供了更為準(zhǔn)確的模型信息； 3.提出了微位移工作臺(tái)的自適應(yīng)控制方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)PID控制器的性能，提高了工作臺(tái)的位移精度。傳統(tǒng)PID控制器的系數(shù)過(guò)多地依靠人為整定，在自動(dòng)控制中存在著一定的難度。把自適應(yīng)技

7、術(shù)用于工作臺(tái)的控制，能夠根據(jù)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算并更新控制器的系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，減小工作臺(tái)的位移誤差； 4.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，提出了微位移工作臺(tái)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，改進(jìn)了控制策略，提高了控制器的性能。自適應(yīng)控制是基于線(xiàn)性理論發(fā)展起來(lái)的，對(duì)于非線(xiàn)性系統(tǒng)不容易找到理想的控制器結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性分析依據(jù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)恰好彌補(bǔ)了這一缺陷，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)工作臺(tái)的位移誤差和辨識(shí)出的最新模型信息，直接按照自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律改變PI

8、D控制器的系數(shù)，既發(fā)揮了傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)可靠性高、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)，又體現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)和自組織特性。在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明控制效果有了顯著的提高； 5.提出了基于遺傳算法的微位移工作臺(tái)辨識(shí)方法，改善了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)結(jié)構(gòu)的性能。由于所采用的前向BP網(wǎng)絡(luò)具有收斂速度慢和易于陷入局部極值點(diǎn)等缺點(diǎn)，所得到的模型結(jié)構(gòu)不一定是最優(yōu)解，利用遺傳算法良好的全局搜索能力，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)結(jié)構(gòu)確定出一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)最優(yōu)

9、解附近的解空間，縮小了網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)的范圍，再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)局部尋優(yōu)能力強(qiáng)和逼近非線(xiàn)性函數(shù)的特性，找到全局最優(yōu)解，建立與工作臺(tái)實(shí)際系統(tǒng)更為接近的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明最大誤差減小到了55nm； 6.設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID控制算法，有效補(bǔ)償了位移誤差，進(jìn)一步提高了微位移工作臺(tái)的輸出位移精度。由于所采用的BP算法對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值較為敏感，容易在定位工作的初始階段出現(xiàn)較大的振蕩和波動(dòng)，可能會(huì)對(duì)加工設(shè)備和樣品造成傷害。利用遺傳算

10、法良好的全局搜索能力，借助于辨識(shí)出的模型，在隨機(jī)產(chǎn)生的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)初始參數(shù)種群中，搜索出一個(gè)最優(yōu)解附近的解空間，然后利用BP算法的局部搜索功能，得出控制器的最佳控制系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)微位移工作臺(tái)的實(shí)時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明工作臺(tái)的位移精度能夠控制在40nm，基本達(dá)到了本文精度要求； 7.借助于MATLAB強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力和控制系統(tǒng)的仿真能力，設(shè)計(jì)了辨識(shí)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的算法，并編制了相關(guān)程序。MATLAB以其靈活的編程語(yǔ)言和工具

11、箱函數(shù)，便于工作者學(xué)習(xí)和調(diào)用，以此設(shè)計(jì)的控制軟件，速度快，需要內(nèi)存容量小，不僅可以輸出模型辨識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程和權(quán)值系數(shù)，而且能夠得到控制網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程和控制器的控制系數(shù)； 8.分析了微位移工作臺(tái)在不同控制方法下的誤差及其產(chǎn)生的原因。由于微位移工作臺(tái)在建立、模型辨識(shí)和運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中存在著部件的系統(tǒng)誤差、加工精度、裝配精度、模型辨識(shí)精度和控制算法精度等的誤差，再加上在位移過(guò)程中外界環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生的干擾，使得誤差在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下只能減小而不