面向低温测试系统的芯片级微组装静电梳齿驱动三维平台研发

High-performance scanning microstage with precise positioning and control, as an essential part of magnetic resonance force microscope (3D reconstruction of biomacromolecules) for quality management of characterization process, is capable of providing cell-scale displacement at low temperature, reducing environmental thermal noise and improving detection sensitivity. With respect to the mainstream positioning systems, i.e., piezoelectric microstage, in terms of volume, low resonant frequency, hysteresis in motion, displacement attenuation at low temperature, etc., this project focuses on chip-level microassembly technology to fabricate comb-drive XYZ-microstage with large displacement, low crosstalk and high precision, towards the applications in 3D scanning of low temperature measurement system: (i) assembly of the independent XY-microstage and Z-actuator through microassembly and electrical interconnection, to realize the low crosstalk between in-plane and out-of-plane motions; (ii) implement the analysis of actuation mechanism and optimization of structural parameter, to achieve large displacement and low crosstalk of XY-microstage and large displacement of Z-actuator, respectively; (iii) build a feedback control system with FPGA platform, to realize high-precision positioning in the three directions. Finally, this comb-drive XYZ-microstage will satisfy the requirements of biomacromolecule/cell-scale 3D medical imaging system with high-precision at low temperature.

作为磁共振力显微镜(生物大分子三维重构重要表征手段)的重要组成单元，高性能位移扫描平台的精准定位与控制是表征过程质量管理的重要保证，需要在低温环境下提供细胞尺度大小位移行程，以降低环境热噪音和提高探测灵敏性。本申请项目针对主流定位系统即压电陶瓷位移平台存在的体积大、谐振频率低、运动延滞、低温位移衰减等诸多挑战，拟利用静电驱动无延滞及无低温位移衰减的性能优势，研究基于芯片级微组装技术的新型静电驱动三维平台，重点围绕三维方向大位移、低串扰、高精度等方面展开：(i)在面内和面外方向分别设计独立驱动单元，通过微组装和电气互联实现面内与面外低串扰运动；(ii)对微组装单元分别进行驱动机理分析与结构参数优化，实现三维方向大位移行程、面内X与Y方向低串扰运动；(iii)构建基于FPGA平台反馈控制系统，三维方向实现高精度定位。最终，该静电驱动三维平台能够满足三维医学成像系统在低温环境下高性能扫描需求。

随着纳米技术的迅速发展，精密定位系统在现代尖端工业生产和前沿科学研究领域占有极其重要的地位，它是精密测量、超精密加工、半导体技术、生物医学工程等关键领域的重要环节。作为磁共振力显微成像系统的重要组成单元，高性能位移扫描平台的精准定位与控制是表征过程质量管理的重要保证，能够在低温环境下提供细胞尺度大小位移行程，以降低环境热噪音和提高探测灵敏性。本研究项目利用静电驱动无运动滞后及无低温位移衰减的性能优势，从理论分析和实验验证两方面出发，研究了基于芯片级微组装技术实现静电驱动三维平台制作的新方法，突破了基于单一晶圆加工三维平台面内与面外运动串扰、面外运动空间有限等技术难题，揭示了驱动单元之间有效衔接机制条件下实现大位移行程和非耦合运动的应对策略，阐明了驱动电压之间电容互感耦合机制以及非耦合设计方法。所加工的静电梳齿驱动式XYZ轴-三维扫描位移平台，在三维方向具有大位移行程(X轴49.2 μm，Y轴27.9 μm，Z轴50.5 μm)、非耦合运动、高精度定位(面外方向~32.7 μm的行程范围内能够实现~22 nm的开环重复定位精度)特性，并进一步在磁共振力显微成像系统中得到了扫描性能验证。值得注意的是，通过微组装技术所加工的XYZ轴-微型平台所取得面外方向(Z轴)位移行程是文献报道最优值的14.4倍。可以预见地，所提出的芯片级微组装技术将适用于基于不同驱动模态下其他多自由度驱动单元之间的集成。我们验证了基于异质结构加工静电梳齿驱动器在低温环境下的运动特性，揭示了硅与玻璃阳极结合所构成的异质结构在低温环境下的变形机制，指出了拥有极薄二氧化硅层的绝缘体上硅是可应用于低温环境的可替代材料。最后，所开发的性能优异、运行高效的三维扫描位移平台，对于微纳米尺度测量系统包括扫描探针系列显微镜等在低温环境下的性能提升具有重要意义。

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