位移自感知硅基反铁电薄膜微驱动器件及控制系统研究

Precision driving technology is one of key factors to develop ultra-precise micro-machining and precise positioning of the microactuators, which is the best solution to breaking through low precise positioning of traditional motors. Aimed at the current inherent defects in new types of physical actuator, such as intrinsic nonlinearity that limits control accuracy of micro driving system, a novel self-sensing micro-actuator integrating both sensing and driving is proposed to enhance the control accuracy. The following contents, i.e., the integration strategy, the configuration of sensor and actuator, the construction of nonlinear model and the design of compensation algorithm, will be investigated. It will be illustrated including the electromechanical coupling phase law based antiferroelectric functional dielectric thin films, the relationship between self-sensing microactuator hysteresis nonlinearity, mechanical structure in the driving field and compensation control strategy with hysteresis nonlinearity. The goal of this project is to solve the problems induced by low-quality functional material, the signal coupling caused by bidirectional reversible trans conductance mechanism and nano-precision movement of micro-actuator, which is quite important to develop nano-precision motion involving precision driving technologies.

精密驱动技术是制约超精密加工、MEMS系统及相关技术发展的关键因素，微执行器的精密定位是突破传统电机驱动器定位精度低下的最佳方案。针对新型物性执行器普遍存在固有缺陷――本征非线性特性限制了微驱动系统的控制精度的技术瓶颈，本项目创新性提出“传感”/“执行”一体化集成自感知微执行器的研究思路，围绕微执行器可实现纳米精度运动，重点开展器件一体化集成、传感器/执行器同位配置、非线性模型的构建和补偿算法的设计研究，揭示硅基反铁电功能介质薄膜相变致动微执行器的电-机耦合规律、自感知微执行器迟滞非线性特性与机械结构、驱动电场之间的依赖关系和补偿控制策略等基础科学问题，旨在突破低质量换能材料本征非线性特性及双向可逆换能机制带来的信号耦合等共性问题对微执行器控制系统精度难以提高的限制，实现微位移执行器的纳米精度运动。为精密驱动技术领域的纳米精度运动提供理论基础和关键技术支撑，具有重要的科学意义和现实价值。

本项目创新性提出“传感”/“执行”一体化自感知微执行器。采用溶胶-凝胶法制备硅基反铁电PLZT材料实现与硅基片的低应力晶圆级异质集成，利用其良好的驱动特性可提高控制精度，集成性能优良的压阻应变片作为传感单元。两种智能材料的一体化既简化了信号处理电路、又规避了自感知执行器控制信号和敏感信号之间的耦合等共性关键技术问题。应用COMSOL有限元仿真软件，分析了器件结构的静态、动态和谐响应，揭示了执行器器件主体结构中宽度、厚度及压阻应变片尺寸、结构与布局等结构特点，以及对自感知PLZT微执行器件的谐振频率、输出电压、输出功率、转换效率等性能的影响规律，确定出最优的器件结构参数。利用湿法腐蚀、微结构释放、深度反应离子刻蚀（DRIE）等体硅微加工工艺，以及光刻、溅射等平面工艺，加工形成传感/执行自感知 MEMS 一体化集成器件结构，梁长、梁宽、梁厚和镜面外宽分别为20000µm、2500µm、180µm和10000µm，实现了器件快速、高精度响应特性的传感/执行自感知一体化结构的集成制造。搭建传感/执行自感知微执行器件性能测试的试验平台，揭示电场调控微执行器的驱动能力和振幅、微位移及频响之间的依赖关系。分析了微执行器件的非线性迟滞特性，揭示了PLZT微执行器的电-机耦合规律、自感知微执行器迟滞非线性特性与机械结构、驱动电场之间的依赖关系和补偿控制策略，建立了基于反交换式多层感知器(aMLP)的PLZT微执行器迟滞模型，提出了迟滞逆补偿与自适应滑模控制和自抗扰控制两种非线性复合控制策略，最小误差小于0.2μm，降低微驱动器的本征非线性特性对驱动精度的影响，满足了PLZT微动器的控制要求，实现传感/执行自感知PLZT 微执行器件的纳米精度运动。对高性能自感知微执行器件的研制及其在精密驱动领域的功能升级和应用推广具有重要的科学意义和应用价值。