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面向微光学元件加工的纳米压印设备的优化设计

作　者: 尹继伟
导　师: 金鹏
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 纳米压印微光学元件热电偶温度控制
分类号: TH705
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着微光学技术的不断发展和成熟,微光学元件(MOE)制作工艺已经成为其应用领域拓展的重要技术瓶颈之一。纳米压印技术作为MOE新兴制造工艺,因其能够突破传统微细加工极限分辨率并降低加工成本而备受关注。先进的加工技术离不开先进的设备,因此研制一种性能良好、使用方便、可靠性高的压印设备对于MOE加工技术的发展显得尤为重要。针对课题组前期研发的热压印设备存在的问题及不稳定因素,本文从功能、集成度、整体性能等进行多方面的优化和改进,并对紫外/热压印两用的压印设备进行设计。首先对纳米压印的工艺特点及相关技术国内外发展现状做了综述,再从总体上对紫外/热压印两用设备的结构进行介绍,重点阐述了温度及压力控制系统的设计与实现,最后通过一系列实验验证压印设备的可靠性。本文以纳米压印制作微光学元件的基本原理作为指导,主要进行了以下工作:设计了紫外/热压印两用压印设备系统,研制了基于MSP430F149的集温度控制、压力控制、紫外固化光源控制于一体的硬件控制模块,主要包括温度变送模块的设计、基于PWM控制方式的SSR驱动设计、热电偶温度非线性拟合处理,并分别采用位置式和增量式PID控制算法实现温度和压力的精准控制,成功达到了温度控制系统的设计指标。完成压头定位锁紧、柔性静压执行机构的设计与建模。隔热材料的选取及紫外固化光源的系统设计。并在LABVIEW开发环境下编写了上位机软件,完成了串口通信、温度、压力实时采集与显示、PID算法子程序等系统软件的开发。论文最后对系统的各个功能模块进行了性能测试和实验分析,主要包括温度控制对比、控制精度、升温速度、长期稳定性实验;并对于压力执行机构的稳定性和控制精度进行测试;以PMMA和非晶态金属合金为加工材料进行了为光学元件复制实验,实验效果良好,针对不同的加工材料均可得到完整、均匀的压印结果。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-20
  1.1 课题研究的背景和意义  10-11
  1.2 纳米压印工艺简介  11-14
    1.2.1 热压印工艺的特点  12-13
    1.2.2 紫外压印工艺的特点  13-14
  1.3 国内外相关研究的发展现状  14-18
    1.3.1 纳米压印微光学元件加工技术  14-16
    1.3.2 压印设备  16-18
  1.4 本文的主要研究内容  18-20
第2章纳米压印设备的总体结构及性能指标  20-34
  2.1 纳米压印设备的总体性能指标  20-21
  2.2 压印过程及总体结构设计  21-23
    2.2.1 压印过程  21-22
    2.2.2 机械结构总体设计  22-23
  2.3 柔性压头的结构设计  23-24
  2.4 隔热材料的选取  24-26
  2.5 紫外固化光源  26-27
  2.6 硬件总体结构设计  27-29
  2.7 系统软件设计  29-33
    2.7.1 上位机软件实现  29-33
    2.7.2 控制系统软件主体设计  33
  2.8 本章小结  33-34
第3章温度控制系统的研究  34-50
  3.1 引言  34
  3.2 温度控制系统的总体方案  34-35
  3.3 温控系统硬件设计  35-41
    3.3.1 温度传感器的选择  35-37
    3.3.2 温度信号调理模块  37-38
    3.3.3 主控单元及AD 采集  38-39
    3.3.4 固态继电器及驱动电路  39-41
  3.4 温度处理的拟合算法  41-43
  3.5 PID 闭环控制原理与算法  43-47
    3.5.1 PID 控制原理  44-45
    3.5.2 数字PID 控制算法  45-47
  3.6 控制系统软件设计  47-48
  3.7 本章小结  48-50
第4章压力控制系统研究  50-62
  4.1 引言  50
  4.2 压力控制方案设计  50-54
    4.2.1 气动伺服控制系统基本原理  51-52
    4.2.2 PWM 气动控制方式  52-54
    4.2.3 压头定位装置介绍  54
  4.3 静压式执行器控制系统分析  54-57
  4.4 系统抗干扰设计  57-58
  4.5 压力控制系统硬件实现  58-60
  4.6 控制系统的软件设计  60-61
  4.7 本章小结  61-62
第5章实验结果及分析  62-72
  5.1 引言  62
  5.2 温度控制实验  62-67
    5.2.1 温度对比实验  62-64
    5.2.2 阶梯升温控制实验  64-65
    5.2.3 温度控制精度实验  65-66
    5.2.4 恒温稳定性测试  66
    5.2.5 升温速度测试  66-67
  5.3 压力控制实验  67-69
    5.3.1 稳定性测试实验  67
    5.3.2 动态重复性误差实验  67-68
    5.3.3 分辨率实验  68-69
  5.4 微光学元件复制实验  69-71
  5.5 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-77
致谢  77

面向微光学元件加工的纳米压印设备的优化设计

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