● 摘要
本论文的研究内容基于国家自然科学基金重大研究计划项目“具有压印力解耦功能的新型纳米压印平行对准系统关键技术研究”（批准号：91023036）。
纳米压印是一种新型的光刻替代技术。与印章类似，纳米压印利用机械压力在具有一定可塑性的材料上复制或转移具有微纳米级尺寸的图案。与传统的光刻技术相比，纳米压印具有效率高、重复度好和精度高等优点。纳米压印被广泛应用于半导体制造、MEMS、生物芯片、生物医学等领域。
在纳米压印过程中，对压印力的控制至关重要。压印力控制不仅能够控制模板的压印深度（聚合物材料的挤压填充度），而且能够有效地调节模板与基板之间的平行度，从而保证压印结果的均匀性和一致性。然而，现有的纳米压印工艺工程却存在着两个问题，即：缺乏精确可行的力控制算法和缺乏有效的压印力检测仪器。这两个问题的存在正制约着纳米压印向更小、更快和更高精度的方向发展。鉴于此，本论文在充分分析了纳米压印设备的工作原理和纳米压印工艺过程的基础上，针对以上两个问题分别提出了对应的解决方法，并就研究过程中的一些其他相关技术进行了深入细致的探讨。
首先，论文从压印力检测仪器出发，针对纳米压印过程既需要通过小的压印力来主动调整模板与基板之间的平行度，又需要对大的压印力进行规划控制，提出了一种具有两级甚至多级特性的力传感器的设计方法，并结合线弹性理论和伪刚体模型法对传感器的原理和结构进行了设计。
其次，论文针对力传感器在开发过程中遇到的矛盾要求进行了分析，建立了传感器结构参数与性能的模型关系，并采用多目标粒子群算法对力传感器结构进行了合理的优化，使得最终设计的力传感系统同时具有高灵敏度、高动态频宽和大的检测范围。
再次，由于力传感器采用了柔性机构的结构形式，传感器的结构振动问题不可回避。论文在回顾了当前最常见的结构振动抑制方法的基础上，提出了一种新型的电涡流阻尼器的设计方法。论文通过求解麦克斯韦方程组来计算阻尼器的磁场分布及阻尼系数，并采用有限元仿真的方法对求解结果进行验证。论文提出的电涡流阻尼器在不影响力传感器性能的基础上有效地解决力传感器的结构振动问题。
然后，基于所开发的两级分辨率力传感器系统，论文提出了一种基于阻抗控制的两级力控制算法。控制算法的第一级用于纳米压印过程中模板与基板的主动调平；而第二级则用于对整个压印过程中的压印力进行规划控制。该两级控制算法不仅能够实现对压印力的精确控制，而且能够实现压印头组件从非约束空间到约束空间的平滑切换。
最后，为了验证所开发的两级力传感器系统及两级力控制算法的有效性，课题组搭建了一套板对板式的热压印实验系统，成功实现了在聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate, PMMA）材料上，对面积为25mm 25mm、周期为500nm（200nm线宽，300nm间隙）、深宽比为1.5的光栅条纹结构的复制。实验结果验证了所开发的力传感系统及力控制算法的可行性及可靠性。