● 摘要
本课题的研究内容主要来源于国家自然科学基金重大研究计划培育项目“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（项目批准号：91023036）”。
纳米压印是一种新兴的微纳加工技术，它利用一块带有特定凹凸结构的模板，通过机械挤压的办法使光刻胶填充模板，获得所需的微纳结构。与传统光学光刻技术相比，纳米压印技术是一种纯机械的加工方法，避免了光学曝光中的衍射和散射影响，可以实现10nm以下的加工分辨率。此外，纳米压印技术还具有工艺简单、成本低的特点，在LED显示、光学、高密度存储以及微机电系统等领域有广泛的应用前景。
纳米压印过程中，模板与基板的平行对准性能是纳米压印设备的关键指标，是影响加工质量的重要因素。常规的平行对准系统往往利用柔性机构实现压印模板与基板平行误差的被动补偿。在这种设计中，基于柔性机构的精密平行对准单元承托模板，并直接承受压印力的作用。当存在平行误差时，在不均匀压印力的作用下，平行对准单元发生被动变形，消除模板与基板不平行误差。然而，柔性机构由于刚度有限而不能在大压印力下正常工作。
本课题在深入研究纳米压印加工工艺的基础上，提出并设计了一种新型纳米压印平行对准系统，实现了压印力与精密对准机构的解耦，克服了大压印力对平行对准性能造成的负面影响。围绕这个问题，本文完成了以下几项工作：
第一，论文回顾了纳米压印的加工工艺，利用广义麦克斯韦模型对热塑性光刻胶的粘弹性状态进行表征，从理论上得出了光刻胶填充深度与压印时间的依赖关系，并基于有限元分析法，对光刻胶的受力变形过程进行了模拟，为平行对准系统的设计提供了理论依据。
第二，回顾当前纳米压印平行对准原理存在的问题，在此基础上提出了一种具有压印力解耦特性的平行对准系统，该系统主要包括一个具有高刚度的球形气浮轴承和一个能将主动与被动对准功能一体化的并联柔性机构。其创新点在于，球形气浮轴承可以将不均匀压的印力分解为一个垂直的力分量和一个绕球心的力偶分量，垂直分量被传递到高刚性结构，而力偶分量则由球形气浮轴承无摩擦地传递到柔性机构，用于平行误差的被动补偿。
第三，基于Navier-Stokes方程，推导出球形气浮轴承的理论建模和参数优化，并通过实验进一步验证了气浮轴承的承载力与刚度特性。为了改善气浮轴承在低载荷情况下的刚度，设计了一种可调的磁力预载结构，利用电磁仿真软件对磁力进行了分析。
第四，对纳米压印过程的压印力均匀性进行了研究，基于分布式压印力测量，提出了基于两轴直线电机的压印力均匀性控制算法，通过实验验证了方法的可行性。
最后，依靠所设计的平行对准系统，搭建了热压印实验样机。在1200N的压印力下，完成了总面积为10mm×10mm 、周期为500nm的光栅结构制作，且具有相当高的保真度。这表明，该平行对准系统成功地实现了压印力解耦，保证了在大压印力环境下的可靠工作状态。