大行程微/纳表面测量与表征系统及其关键技术

密切结合现代微/纳工程材料测量与表征的需求，开发具有高精度、大行程特点的新型多功能探针型表面测量与表征系统及其综合性能指标保障技术。研究基于宏/微双重运动形式的微/纳定位系统结构优化设计理论，开发单次扫描多参数测量的原理与样机技术。构建机构运动学与动力学模型以及几何与运动误差建模、辨识和标定方法。研究融合静电致动原理与差动式电容位移检测理论的新型微/纳传感与测量技术以及可靠、高效的数据处理新方法。利用亚纳米精度的激光干涉动态测量技术，建立改善微/纳测量与表征系统的动力学特性和测试信号可信度的高鲁棒性自适应控制算法与软硬件实现技术。探讨保障微/纳表面测量与表征精度的测试工艺和方法。该项研究不仅对提高我国微/纳工程表面测量与表征技术的水平具有重要意义和理论价值，而且还具有广阔的应用前景。

本项目密切结合功能材料表面机械与物理性能的测量与表征的需求，针对现有设备测量范围小，测量参数单一等问题，开发了一种大行程、多功能微/纳表面测量与表征系统。解决了系统结构优化设计、微/纳位移和力的传感与测量以及定位系统控制策略与算法等关键科学问题。开发了基于音圈电机与压电陶瓷驱动的宏/微定位动平台，构建了微动平台的动力学模型，研究了压电陶瓷的迟滞性，提出了基于逆迟滞模型的控制方法以及运动解耦算法。开发了集电磁驱动、弹性支撑与位移测量的新型测头系统，分析了不同电磁装置结构对电磁梯度以及电磁力的影响，开展了弹性支撑机构的参数优化与改进设计。搭建了微/纳表面测量与表征系统的物理样机，探讨了样机综合性能保障技术。相关理论研究成果在IEEE/ASME T Mechatronics、Review of Scientific Instruments、Precision Engineering 等国内外高水平学术刊物发表论文(SCI/EI) 18篇，授权国家发明专利5项。获得教育部新世纪优秀人才计划1人，培养硕/博士研究生6人。出国学术交流和参加国际会议6人次，邀请国外专家来华交流3人次。