面向微纳操作的微小型机器人作为一种典型的微机电装置,具有体积小、重量轻、能耗低、集成度高、能够进入一般机械系统无法进入的狭小作业空间进行检测和维护等特点,在微纳操作领域有着广泛的应用前景。在微电子机械系统(MEMS)领域,伴随着硅微机械加工技术的不断发展,利用硅微机械加工技术制作的微小型机器人受到人们的广泛关注并应用到各个领域,如数据储存设备、光学设备、扫描探针显微镜(SPM)等,为微小型操作机器人的发展提供了新的研究与发展方向,已成为国内外诸多公司、研究机构以及高校一个新的研究热点,其发展的最终目标是构建以微小型操作机器人为基础的片上微纳操作系统。在国家“863”计划项目“典型微纳米尺度构件操作的关键技术研究(项目编号2007AA04Z315)”资助和全面分析国内外基于硅基微型定位系统研究现状的基础上,本文针对微纳米操作领域的技术特点及发展趋势,提出了一种集结构、驱动和位移检测于一体的硅基微型平面定位平台结构,研制出一种基于硅基集成式的片上微型XY定位系统,充分体现了驱动、结构、检测一体化的设计思想;同时提出了一种用于面内位移检测的侧壁压阻式位移传感器的结构设计。本文分别对微型XY定位系统的静电驱动器特性、集成式定位平台结构设计、集成式定位平台关键工艺分析及实现方法、微型XY定位系统控制策略等方面进行深入的研究探讨。在静电梳齿驱动器和平台动态特性分析方面,在分析静电梳齿驱动器致动机理的基础上,建立驱动器两种主要的动态失效模型;同时考虑空气阻尼对定位平台动态特性的影响,利用能量守恒原理对平台的最大运行速率、最大过冲位移、临界驱动电压等动态特性进行分析,为结构设计和实验研究提供了理论依据。在硅基集成式微型XY定位平台的结构设计方面,基于平台结构、驱动和检测一体化设计理念,设计了集成式微型XY定位平台。通过对静电驱动梳齿电极结构的特殊设计提高了平台的驱动效率;利用弹性力学原理,分别建立弹性柔性支撑梁的刚度模型并对位移进行建模分析;将有限元法用于平台关键部件的结构分析,通过理论建模分析和仿真方法相结合,确定定位平台结构参数尺寸;通过对弹性无间隙柔性支撑梁的优化设计,在改善定位平台动态特性和驱动梳齿稳定性的同时也提高了平台驱动效率。同时将基于侧壁压阻式的位移传感器集成到定位平台上,实现闭环位置反馈。在基于体硅工艺侧壁压阻式位移传感器的设计方面,采用DRIE切割成型技术将压阻制作在检测梁的垂直侧壁表面,提高了检测面内运动时位移传感器的灵敏度。利用材料力学分析方法对传感器的弹性检测梁进行受力分析,结合压阻检测原理确定压阻的最优排布方式。通过对位移传感器的关键性能指标分析,给出了压阻结构最优的尺寸参数,优化了影响压阻性能的关键工艺参数,并在理论分析的基础上提出了硅微位移传感器的结构设计准则。在硅基集成式微型XY定位平台关键工艺与实现方法方面,结合硅微机械加工技术,制定出一套加工集成式微型XY定位平台的加工工艺流程,详细分析了DRIE刻蚀技术的工作原理及加工过程中可能出现的现象,对平台加工过程中的关键工艺进行详细地分析并给出有效的解决方法。通过对关键加工工艺的分析与研究,提高了加工后平台结构尺寸的一致性。提出了一种基于DRIE切割成型技术和离子注入技术相结合的垂直侧壁表面压阻加工技术,对工艺的具体流程进行详细的分析与介绍,并利用该工艺成功地把基于压阻效应的位移传感器集成到定位平台中。在定位系统的驱动和控制方面,首先针对静电致动器的致动特性对定位系统驱动电源进行设计研究;然后在对集成式定位平台电学特性和机械力学特性理论分析基础上建立定位系统的完整数学模型;最后针对硅工艺加工的定位平台模型不精确性,设计了单神经元自适应PID控制器,有效的提高了系统的动态特性和稳定精度。最后建立硅基集成式微型XY定位系统的实验系统。综合上述研究结果对定位系统进行性能测试和实验研究。结果表明系统具有整体体积小、能耗低和定位精度高等特点,也验证了集成式定位平台设计前期理论分析的正确性及垂直侧壁表面压阻加工技术的有效性。本文的研究工作为下一步片上微纳操作系统及基于扫描电子显微镜(SEM)下纳米操作系统的设计提供了可以借鉴的理论与实践经验。