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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。
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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
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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 一般性问题 > 制造用设备
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