面向微电子制造的超高加速度宏微运动平台多物理场耦合特性及抑振机制研究

It is difficult to overcome the limitation of the acceleration limit of macro micro motion platform. The project presents a ultra-high acceleration macro-micro motion platform to achieve a breakthrough acceleration limit with the "macro + micro + macro " driven by the macro-micro driving initial model extension and adjusting the number of devices and macro-micro organic combination equipment series. In order to obtain the superior character of platform under ultra-high acceleration, dominant function relation between uncertain factor in multi-physics coupling and performance characteristic can be represented by Polynomial Chaos Expansion to realize superior features of the platform. When ultra-high acceleration is provided by macro-system and transmitted to micro-system, a new approach or method of blocking energy and restraining vibration can be obtained by study on the rule between wide-band vibration performance and vibration energy dissipation in macro-micro motion, which is considered comprehensively by organic combination of active, passive constraints and particle damping to avoid wide-band vibration and work disorder generated by high energy and large inertia force. The smooth , fast and accurate positioning can be ensured by improving the model and experimental verification. It provides a theoretical and technical basic on microelectronics manufacturing equipment upgrading and manufacturing rapid development.

宏微运动平台加速度极限难以跨越的难题制约着微电子制造产业飞速发展。项目提出一种超高加速度宏微运动平台，对宏微驱动初始模型进行扩展，调整宏动设备数量及宏、微设备有机串联结合，探究以“宏动+微动+宏动”驱动方式实现加速度极限跨越式突破。超高加速度带来极其复杂的多物理场耦合严重影响运动平台整体性能优越性发挥，探索利用混沌多项式展开方法表征多物理场耦合中不确定因素与性能特征的显性函数关系，实现超高加速度宏微运动平台关键机构及系统模型最优化求解。实现超高加速度势必伴随着高能量和大惯性力，由此带来的宽频振动和工作失常必须避免。探究一种阻断能量传输和振动抑制的新途径或新方法，揭示宏微系统运动过程宽频振动特性与振动能量耗散规律，实现主、被动式约束和颗粒阻尼有机结合。通过理论模型完善和实验验证，实现超高加速度宏微运动平台平稳、快速及精准定位。这为实现微电子制造装备更新换代及制造业飞速发展奠定理论与技术基础。

微电子制造产业关系国家利益和国防安全，因其重要的基础与先导作用，一直被列为国家科技发展科技规划中重点领域之一。宏微运动平台作为微电子制造产业的关键基础设备因其加速度极限难以跨越的难题制约着微电子制造产业飞速发展。设计加速度跨越式提升的超加速度宏微运动平台会涉及当前宏微运动平台未曾涉及的新问题。项目设计了并搭建了超高加速度宏微运动平台。针对复杂工况下运动平台进行静态和动态模拟，获得了五个工况下平台应力和变形随载荷变化趋势，工况三和工况五下的最大变形主要来自压电驱动器驱动力作用。采用多点激励单点输出的激励方法对模拟结果进行了验证。进一步通过ANSYS计算获得了关键机构连接架热-机械耦合最大变形和应力，获得了位变形和应力随着温度和加速度载荷变化规律。同时，基于频率灵敏度方法对连接架结构参数进行了优化研究，采用锤击法测振技术对优化后结构进行了验证。采用串联思想，搭建了一种获得可扩展的超高加速度宏微运动平台。通过多个音圈电机有机串联提供动力，实现了定位平台的超高加速的目的。随着音圈电机级数n的增加，运动平台的振动能量衰减率近似呈现线性递减规律。将浮动定子平台应用到超高加速度宏微运动平台，进行了理论研究，模拟仿真和实验分析，验证了该浮动定子平台作为超高加速度宏微运动平台的隔振器的可行性。进一步，将浮动定子应用于可扩展超高加速度宏微运动平台，通过理论分析，多目标优化和实验验证了浮动定子平台的隔振效果。以超高加速度宏微运动平台多物理场耦合特性分析和振动抑制问题为切入点展开研究，这对促进其他复杂问题的解决提供一定的支持和突破口，同时对我国微电子装备运动平台技术瓶颈和相关科学问题的解决具有一定的推进作用，对摆脱我国微电子装备依赖进口和技术创新具有重要作用，对促进微电子制造产业飞速发展具有重要意义。