● 摘要
本文的研究工作得到了国家自然科学基金“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（项目号：91023036）”和“具有全方位容错功能的MEMS光开关微装配系统关键技术研究（项目号：51275018）”的资助。
从柔性机构的发展历程可以看出，它是一种新型的机构，主要利用柔性材料的机械变形来实现运动的输出。与传统的刚性机构相比，柔性机构具有可一体化设计与加工、无需润滑、无零部件间的碰撞和无磨损等优点。由于柔性机构具有刚性机构所无法比拟的优点，使得它被广泛运用到精密定位、微加工、微装配以及生物医学等领域。
首先，本文介绍了柔性机构的第一个应用：纳米压印平行对准系统。纳米压印是一种新型的接触式微纳加工技术，完全摆脱了对光学的依赖，它可以大批量、重复性地制备高分辨率的微纳图案。对于常见的几种纳米压印工艺，本文分析了它们所需的压印力大小以及压印力对模板与基板之间对准精度的影响。针对目前绝大多数纳米压印设备在进行热压印时对准精度会大幅度下降这一问题，本文利用柔性机构与气浮球轴承相结合的方法提出了一个具有压印力解耦功能的新型平行对准系统。在压印过程中，较大的压印力会绕开脆弱的柔性机构而经高刚度的气浮球轴承传到刚性支架上。此外，该平行对准系统可实现两级对准：在主动对准中，柔性机构主要用来传递两个高精密步进电机的直线运动，并将其转化成气浮球轴承的两自由度旋转；在被动对准中，柔性机构则起着被动适应气浮球轴承转动的作用。
本文利用经典的梁变形理论和伪刚体模型法对平行对准系统中的柔性机构进行理论建模，主要是确定柔性铰链的结构和尺寸，使其具有较大的运动范围并且使最大应力和寄生运动尽可能地小。
根据所设计的平行对准系统，我们最终搭建了一台纳米压印设备，分别使用周期为6 μm和500 nm光栅结构的硅质模板进行热压印实验。利用扫描电子显微镜和原子力显微镜分别对压印后的PMMA光刻胶进行观察，可发现光栅结构非常整齐并且不存在楔形平行误差，这进一步验证了所设计的对准系统的有效性。
其次，介绍了柔性机构在本文中的的第二个应用，即高精密夹持设备——微夹钳。微夹钳在微纳操作中是不可或缺的夹持设备，它主要被用来夹持具有较小尺寸的微物体。为了保证较高的操作精度，压电陶瓷被用作驱动源。鉴于压电陶瓷的输出运动非常小，通常不超过其长度的千分之一，本文所设计的微夹钳采用了两级运动放大机构以保证夹持端具有较大的运动范围。基于伪刚体模型法，本文对微夹钳的放大倍数、输入力与输出力的关系、最大应力以及动力学等进行了理论建模，并利用有限元软件对其进行仿真。最终，两个具有不同放大机构的高精密微夹钳被加工并对其中一个进行了实验测试。通过实验可以发现微夹钳经过两级放大机构的运动放大，其夹持端的位移可达到一百个微米以上，这进一步验证了设计的有效性。