面向SEM的惯性粘滑驱动跨尺度精密运动机理和实现方法研究

As the improving of the integration and complexity of the NEMS semiconductor devices, the flexible operation technology based on SEM has become one of the key technologies of semiconductor manufacturing. Under the background, this research put forward a kind of inertia stick-slip driven trans-scale precision motion technology based on SEM, in view of high integration and high vacuum degree environment. Starting from research inertia stick-slip driving mechanism, put forward the kinematic model of the high integration of inertia stick-slip driven trans-scale precision movement in different frequency range. From the study of the movement contact friction interface conversion mechanism in high vacuum environment, the different contact surface texture friction mechanics model is set up. Combined with the electromechanical coupling model of the driving source, the dynamics research of the inertia stick-slip driven trans-scale precision motion for SEM was proceed. Eventually, a platform with high precision and high integration is suitable for high vacuum environment for precision movement based on SEM is built, at the same time for movement more than 10 mm, the total size less than 20 mm×20 mm×15 mm. This technology provides new ideas and methods for trans-scale precision motion based on SEM and to provide an effective movement and positioning tool for nanomanipulation.

随着NEMS半导体器件集成度和复杂程度的进一步提高，基于SEM的灵活纳操作技术已经成为半导体制造中的关键技术之一。本课题在这样的研究背景下，针对SEM环境中高集成度和高真空度的要求，提出一种基于SEM的惯性粘滑驱动跨尺度精密运动技术。从研究惯性粘滑驱动机理出发，提出高集成度惯性粘滑驱动跨尺度精密运动在不同驱动频率范围的运动学模型；对高真空环境中运动接触界面摩擦转换机理进行研究，建立不同接触表面织构摩擦力学模型；并与驱动源机电耦合模型相结合，对面向SEM的惯性粘滑驱动跨尺度精密运动系统进行动力学研究；最终研制一种基于SEM的行程超过10mm，总尺寸小于20mm×20mm×15mm的跨尺度精密运动平台，同时具备运动精度高、集成度高和适合在高真空环境工作的优点，为基于SEM环境的跨尺度精密运动技术的发展提供新的思路和方法，为纳米操作提供有效的运动和定位工具。

随着纳米技术的发展，作为起重要支撑作用的惯性粘滑驱动跨尺度精密运动技术为纳米技术的研究提供了基础条件。跨尺度精密运动技术是指具有纳米级运动分辨率的同时，又具有毫米级的运动行程的精密运动技术。根据国内外发展状况，目前代表性的跨尺度精密运动技术主要有：尺蠖型驱动技术、压电超声马达、压电谐波马达、宏微混合驱动技术、粘滑驱动技术、惯性粘滑驱动技术等。其中，惯性粘滑驱动技术以其运动范围大，分辨率高，结构简单，体积小，集成度高、运动速度快等突出优点，在显微系统（SEM，STM，AFM，TEM）、光学调整、纳米压印系统、微纳操作系统、微装配系统等领域获得了广泛的应用。本课题在这样的研究背景下，提出一种基于SEM的惯性粘滑驱动跨尺度精密运动技术。.本课题主要从研究惯性粘滑驱动机理出发，提出高集成度惯性粘滑驱动跨尺度精密运动在不同驱动频率范围的运动学模型；对高真空环境中运动接触界面摩擦转换机理进行研究，建立不同接触表面织构摩擦力学模型；并与驱动源机电耦合模型相结合，对面向SEM的惯性粘滑驱动跨尺度精密运动系统进行了动力学研究；最终研制一种基于SEM的行程超过20mm，分辨率达到纳米级，总尺寸小于20mm×20mm×15mm的跨尺度精密运动平台，同时具备运动精度高、集成度高和适合在高真空环境工作的优点，为基于SEM环境的跨尺度精密运动技术的发展提供新的思路和方法，为纳米操作提供有效的运动和定位工具。

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