This thesis investigates a nonlinearly modulated digital microactuator for applications to high-precision nano-positioning. The present digital microactuator uses a new class of nonlinear micromechanical modulator in order to produce a precision displacement output, immune to electrical noise and microfabrication uncertainty.
We consider two types of the micromechanical modulators: a conventional linear micromechanical modulator and a proposed nonlinear micromechanical modulator. We design, analyze and fabricate two sets of prototypes. In the first prototype set, we connect the linear and nonlinear modulators to the analog microactuators in order to characterize the displacement modulation curves of the linear and nonlinear modulators. The second prototype set includes the linear and nonlinear modulators, connected to the digital microactuators, which are designed to compare the repeatability of the linearly and nonlinearly modulated digital microactuators. The linear and nonlinear modulators are designed such that they produce the same displacement output of 5.46±0.10㎛ for the fixed digital input of 15.2㎛.
From the experimental study on the first prototype set, the measured linear and nonlinear modulation curves coincide well with the theoretically estimated linear and nonlinear curves. From the experimental study on the second prototype set, the modulated output of the linearly and nonlinearly modulated digital microactuators shows the repeatability of 27.8nm and 12.3nm, respectively, under an identical measurement uncertainty of ±7.6nm. We experimentally prove that, compared to the conventional linear micromechanical modulator, the proposed nonlinear micromechanical modulator improves the repeatability of the digital displacement output, showing potential for high-precision nano-positioning applications.
본 논문에서는 고정도 나노구동을 위하여 디지털 마이크로액추에이터의 기계적 비선형 변조를 제안하였다. 제안된 디지털 마이크로액추에이터는 새로운 종류의 기계적 비선형 변조기를 사용하여, 구동 오차의 원인이 되는 전기 잡음과 공정 오차에 의한 영향을 축소함으로써 구동 정도 향상을 꾀하였다.
기존의 기계적 선형 변조기와 제안된 기계적 비선형 변조기를 비교하기 위하여 두 조의 시험구조물을 설계, 해석, 제작하였다. 먼저, 선형 및 비선형 변조기의 변조특성 곡선을 고찰하기 위해 선형 및 비선형 변조기에 아날로그 마이크로액추에이터가 연결된 시험구조물을 고안하였다. 또한, 선형 및 비선형 변조기에 의한 디지털 마이크로액추에이터의 구동 반복능을 비교하기 위해 선형 및 비선형 변조기에 디지털 마이크로액추에이터가 연결된 시험구조물을 고안하였다. 구동 반복능의 직접적인 비교를 위하여 선형 및 비선형 변조기 모두 15.2㎛의 디지털 구동입력에 대해 5.46±0.10㎛의 구동출력을 발생하도록 하였다.
실험적 연구를 통하여 얻은 선형 및 비선형 변조기의 변조곡선은 이론적 연구의 결과와 같이 각각 선형 및 비선형적인 특성을 나타냄을 확인하였다. 또한 디지털 마이크로액추에이터의 비선형 변조와 선형 변조에 관한 실험적 연구를 통해 동일한 측정 불확도 ±7.6nm 에서 비선형 및 선형 변조기의 구동출력 반복능은 각각 12.3nm와 27.8nm로 측정되었다. 이로서 본 논문에서 제안한 비선형 변조기가 기존의 선형 변조기에 비해 디지털 마이크로액추에이터의 구동 반복능을 향상시킴을 실험적으로 증명하였다.
