半导体IC微定位系统的开发及应用

宾伟雄

摘要：本文首先对半导体IC微定位系统的开发结构进行了简要阐述;其后，围绕微定位平台、微定位控制器两个方面入手，重点研究了半导体IC微定位系统的应用实现策略。意在通过本文的分析，为微定位技术的设计实践与应用发展提供本文帮助。

关键词：微定位技术;控制系统;柔性铰链

0  引言

近几年，随着现代科技水平的不断发展，微定位技术实现了极大进步，并越来越多地被应用到了微型机械制造、精密器件加工、数据存储技术、集成电路改造等领域当中。在此背景下，我们有必要对半导体IC微定位系统的开发及应用进行讨论探究。

1  半导体IC微定位系统的开发结构

一个完整、优质的半导体IC微定位系统应具备以下四点属性：第一，保有理想的运动空间与控制自由;第二，实现运动幅度的微米级控制;第三，保证定位精度达到微米级或纳米级;第四，可实现定位控制信号的快速响应与稳定反馈。半导体微定位系统主要由移动驱动器、位移执行机构、位移检测机构与控制系统四个部分。在实际的系统运行中，首先由控制系统发出操作信号，经过D/A转换触发定位平台的位移驱动器。其后，位移驱动器通过电压对位移执行机构形成驱动，进而支持运动副完成运动点的初步微位移。此时，位移检测机构便会对当前运动点与标准点的偏移情况进行检测采集，再经过A/D转换将采集结果发送回控制系统。这样一来，便可形成一个持续运动的闭环结构，促使运动点不断趋向于预设的标准面，最终达到精准的微定位目的[1]。

现阶段，半导体IC微定位系统的驱动器多为压电陶瓷结构，其具有体积小、响应快、能耗低、分辨率高等特点，具有良好的系统开发优势。位移执行机构主要负责运动点的位移传递，有滑动导轨、滚动导轨、气浮导轨、柔性铰链等多种类型。基于经济性、抗干扰性、应力作用影响等方面的综合考虑，半导体微定位系统硬件平台中的位移执行机构多为柔性铰链。位移检测机构主要负责运动点与标准面上目标点位的测量和采集，业内应用较广泛的类型有电容传感器、光栅尺、激光传感器等。其中，电容传感器在半导体IC微定位系统中的应用最为广泛。控制系统是微定位系统中最基础也最重要的组成部分，其主要负责控制、检测等各类信号的发出、分析与反馈，促进微定位系统形成完整、持续的闭环控制结构。在实际的系统运行中，驱动器经常会出现延迟、蠕变等非线性问题，进而对运动点的运动精度与控制稳定性产生严重影响。因此，在半导体IC微定位系统的开发过程中，相关人员必须要做好控制系统的模式选择，以便通过有效的信号反馈降低驱动器非线性效应的影响程度。

2  半导体IC微定位系统的应用实现

2.1 微定位平台的应用实现

微定位平臺作为微定位技术的硬件核心，对半导体IC微定位系统定位与运动的精准性具有直接作用。因此，微定位系统的应用质量，在很大程度上取决于微定位平台的技术水平。现阶段，微定位平台的应用设计主要包括柔性铰链、动力机构两个部分。其中，柔性铰链多在微定位平台的基体板上加工形成，其具有一定的薄弱性与活动性，可通过拉伸、转动等运动变化实现力的传递，进而在平台中推动定位点的移动。相较于传统中刚体运动副的活动联接形式，柔性铰链具有摩擦力小、润滑需求低、冲击力弱等应用优点，符合精密性、稳定性的微控制需求，因此广泛被应用于微操作领域当中。同时，柔性铰链与微定位平台的基体板共为一体，具有结构紧凑、装配简单等特点，可有效降低微定位平台的设计成本。但需要注意的是，由于柔性铰链相对薄弱，其在拉伸、转动的过程当中可能会发生应力集中的情况，进而逐渐产生一定的材料疲劳，对微定位系统的控制精度产生影响。对此，业内对柔性铰链的剖面形状进行了深入研究，进而形成了包含直角剖面、椭圆剖面、正圆剖面、特殊曲线剖面等多种形状在内的设计体系，可对柔性铰链的位移范围、旋转刚度、应力集中点进行有效调整。在实践当中，相关人员应在半导体IC微定位系统的精度要求的基础上，尽量保证柔性铰链在输出为宜与旋转刚度上的平衡性，以便达到最佳的设计与应用效果。

在微定位系统的固定端与运动平台之间，有多条柔性铰链组成的运动副结构，便是微定位平台的动力机构。从当前来看，常用的动力机构应用模式主要有单平行机构和双平行四杆机构两类。当运动平台受力时，其与固定端之间的柔性铰链会随之发生形变。此时，但单平行机构下的柔性铰链的转动角度为，动力机构整体的耦合位移为其中x为由半导体IC驱动的运动平台位移路程，l为柔性铰链的臂长，d为耦合位移，θ为柔性铰链的旋转角度。由此可见，单平行机构在保有较大位移路程的同时，也存在明显的耦合问题，且耦合位移的数值会随着输出位移的延长而增长，进而对机构整体的精度产生影响。而在双平行四杆机构下，由于采用了对称性的运动副布置结构，柔性铰链并不需要发生弯曲，仅做拉伸运动即可，进而在很大程度上避免了耦合问题的出现。不足的是，双平行四杆机构中需要布置8个柔性铰链，且各铰链的位移存在一定限制，所以具有投入较高、位移程度相对较低的缺陷问题。因此，在半导体IC微定位系统的设计与应用中，相关人员需要根据自身功能需求酌情选择动力机构的模式[2]。

2.2 微定位控制器的应用实现

微定位控制器是半导体IC微定位系统的运行基础，对系统运行的精准性和稳定性具有重要作用。微定位控制器可分为模糊系统与控制系统两个部分。其中，模糊系统主要由模糊模块、推理模块、数据库、规则库以及解模糊模块组成。当定位控制信号输入后，首先需要通过模糊模块进行模糊化处理，再经由推理模块对信息进行数据库、规则库的分析比对，进而将分析结果以模糊集合的形式发送给解模糊模块，以此完成最终驱动信号的输出，对控制系统及微定位平台的操控动作做出引导。

3  总结

总而言之，受惠于科学技术的发展，微定位技术及其系统平台在机械制造、仪器加工等领域中保有越发可观的应用前景。同时，基于微定位系统结构的可选择性，相关人员必须要根据自身具体的微定位、微控制需求，对微定位系统的定位平台与控制器进行科学设计，以便达成应用效益与成本效益的有机统一。

参考文献：

[1]尚江坤，杜兆才.一种三自由度精密定位系统研究[J].航空制造技术，2018，61（22）：77-81.

[2]唐平.压电陶瓷微定位系统的设计及仿真[D].西南交通大学，2017.