臺灣博碩士論文加值系統

近年來半導體產業與奈米科技不斷蓬勃發展，許多領域對於精密平台兼具長行程(mm)、奈米級定位與循跡精確度的需求日益增大。製造此類平台的困難點主要在各種不同的機械元件(軸承、致動器、感測器等)有其限制且需把它們精密的組合起來，特別是多軸向運動的系統。部分平台利用撓性體(Flexure hinge)受力變形的原理來設計，此類平台通常能提供約100μm的行程且不易加工製造。
最近幾年，3D列印的技術不斷進步，列印之精度可到達微米等級，如能以3D列印的方式製造奈米級精密平台則可使精密平台製造的困難度及成本降低。
本研究在於設計與開發一個撓性體為基礎的二自由度X-Y長行程(±2.5mm X ±2.5mm)且定位精度可達到奈米等級(±10nm)的精密微動平台，並用3D列印的方式製作出來。同時利用適當的驅動器，雷射干涉儀量測回授來測試它的性能及其精度，以評估用3D列印的方式製作奈米級精密平台之可行性與可能遭遇的問題。經測試，此平台的行程與定位精度確實可達到預期的規格，同時發現列印的方向會造成X-Y軸特性有些許差異。

Due to the progress of semiconductor industry and the development of nano technology, the need of a precision stage that can provide long range (mm) nano-scale positioning and tracking accuracy is increased rapidly. Practical limitations associated with individual physical components (bearing, actuators, and the sensors) and their integration, particularly in the case of multi-axis systems. Some existing nanopositioning stages are flexure-based design, this kind of systems are generally difficult to fabricate and capable of providing approximately 100μm motion range per axis.
Recently, the technology of 3D printing is progressing rapidly. The fabrication accuracy can approach micro meter (μm). If the precision nano-stage can be fabricated by 3D printing, the fabrication becomes easy and the cost can be reduced.
The purpose of this research is to design a flexure-based long range X-Y nano-stage and fabricate it by 3D printing technology. Then we utilize voice coil motor as driver and laser interferometer as measure device to evaluate the performance of this stage. Experimental results show that the positioning accuracy can reach ±10nm and the strokes of X-Y axis can reach (±2.5mm X ±2.5mm). Due to the direction of printing, the characteristics of X and Y axis are different slightly.

摘要. . . . . . . . . . . . . . . .i
Abstract. . . . . . . . . . . . . .ii
誌謝. . . . . . . . . . . . . . . iii
目錄. . . . . . . . . . . . . . . iv
表目錄. . . . . . . . . . . . . . .vi
圖目錄. . . . . . . . . . . . . . vii
符號表. . . . . . . . . . . . . . xi
第一章 緒論. . . . . . . . . . . . .1
1.1 前言. . . . . . . . . . . . . .1
1.2 研究動機與目的. . . . . . . . . 1
1.3 文獻回顧. . . . . . . . . . . . 1
1.4 論文架構. . . . . . . . . . . . 2
第二章 軟硬體及平台介紹. . . . . . . 4
2.1 精密微動平台. . . . . . . . . . 4
2.1.1 材料之選擇. . . . . . . . . . .4
2.1.2 撓性絞鍊設計模擬. . . . . . . .5
2.1.3 平台尺寸設計與軟體模擬. . . . .5
2.2 雷射干涉儀量測系統. . . . . . . .7
2.3 音圈馬達與電流驅動器. . . . . . .8
2.4 軟體、硬體、控制介面. . . . . . .9
2.5 平台系統整合安裝. . . . . . . . 10
第三章 平台系統性能測試與控制器設計. .11
3.1 開迴路特性測試. . . . . . . . .11
3.1.1 靜態測試. . . . . . . . . . .11
3.1.2 動態測試. . . . . . . . . . .11
3.2 控制對象的數學模型. . . . . . .12
3.2.1 隨機訊號測試. . . . . . . . .12
3.2.2 步階響應測試. . . . . . . . .13
3.3 閉迴路控制測試. . . . . . . . .14
3.3.1 PID控制器. . . . . . . . . .14
3.3.2 包含反積分器捲起的PID控制器. .15
3.3.3 積分型順滑模態控制器. . . . . 16
第四章 實驗結果. . . . . . . . . . 21
4.1 靜態測試結果分析. . . . . . . .21
4.2 動態測試結果分析. . . . . . . .23
4.3 隨機訊號測試結果與濾波器模型. . 24
4.4 步階響應測試結果與系統模型. . . 25
4.5 PID控制器控制結果. . . . . . . 26
4.6 積分型順滑模態控制器控制結果. . 42
4.7 軟體模擬修正. . . . . . . . . .56
第五章 結論與未來展望. . . . . . . .57
5.1 結論. . . . . . . . . . . . . .57
5.2 未來展望. . . . . . . . . . . .57
參考文獻. . . . . . . . . . . . . .58
Extended Abstract . . . . . . . . 60

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