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近几年,微机电系统(Microelectromechanical Systems,简称MEMS)技术得到了迅速发展。然而,与其相关的基础理论研究滞后于MEMS的设计和加工工艺,成为阻碍MEMS技术发展的瓶颈。MEMS材料力学性能研究是MEMS的重要基础理论研究领域之一。受MEMS加工工艺和尺度效应等方面的影响,MEMS材料与其宏观尺度下的材料力学性能并不相同,因此,应进行充分的研究,从而为MEMS的设计提供基本的依据。为了能正确测得MEMS材料的力学性能参数,有必要研制一台MEMS材料力学性能测试仪。 本文的研究目的是为一种MEMS材料力学性能测试仪的研制解决机构优化设计和驱动技术两大关键问题。该测试仪机械本体的构型为压电陶瓷驱动的3-DOF冗余驱动平面并联全柔性机构,该机构的特点是采用了冗余驱动的方式,有利于提高机构的力传递性能。基于全柔性机构的MEMS材料力学性能测试仪主要由精密定位子系统(包括机械本体和驱动电源)、试件夹持子系统、载荷/位移测量子系统和测控子系统四部分组成。本文针对精密定位子系统展开了如下研究: (1)在充分查阅国内外相关文献的基础上,根据MEMS材料力学性能测试的要求,提出了MEMS材料力学性能测试仪的总体方案,对各部分进行了简要分析、设计,并重点阐述了精密定位子系统的设计方案。 (2)对全柔性机构进行了深入分析,确定了机械本体的构型为3-DOF冗余驱动平面并联全柔性机构。从四分支3-DOF冗余驱动平面并联刚性机构入手,进行了最优结构拓扑分析,并建立机构的运动学模型,为全柔性机构的设计奠定了基础。 (3)以机构运动学性能和力传递性能为目标,采用遗传算法对机构进行优化,在此基础上设计并加工了一种基于全柔性机构的冗余驱动平面并联微动机构。 (4)结合机械本体和压电陶瓷驱动器的特点,设计了一台具有多种可选输入模式、输出在0～200V范围内连续可调的四通道压电陶瓷驱动电源。测试了驱动电源的各种性能,实验数据证明压电陶瓷驱动电源的各项指标满足压电陶瓷的使用要求。 本文在研制全柔性机构过程中的优化设计方法以及压电陶瓷驱动电源的设计和实验结论对MEMS材料力学性能测试仪的研制有指导和借鉴作用,并为下一步的研究开发打下坚实的基础。