超精密納米時(shí)柵傳感器試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周啟武，凌　旭

(重慶理工大學(xué)，機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400054)

0　引言

納米位移測(cè)量技術(shù)及器件是納米數(shù)控機(jī)床、極大規(guī)模集成電路專用設(shè)備和國(guó)防軍工特殊需求等超精密高端裝備的核心技術(shù)和關(guān)鍵功能部件，是實(shí)現(xiàn)納米精度定位與控制的“眼睛”，直接決定和影響著主機(jī)的性能[1-3]。目前，在大量程、高分辨率、高精度的位移測(cè)量場(chǎng)合，僅有激光干涉儀和光柵尺是實(shí)現(xiàn)mm級(jí)以上量程、納米級(jí)分辨力的位移測(cè)量工具。

光柵的測(cè)量精度依賴于精密光刻的技術(shù)水平，光刻技術(shù)受光波波長(zhǎng)和光學(xué)衍射極限的制約[4]。激光干涉儀測(cè)量精度取決于激光波長(zhǎng)，nm級(jí)測(cè)量已接近激光波長(zhǎng)[5]。因此，在nm級(jí)精度測(cè)量領(lǐng)域，光柵與激光干涉儀均有各自無(wú)法突破的瓶頸，需要一種新的測(cè)量方法來(lái)解決大量程納米精度位移測(cè)量的問(wèn)題。

納米時(shí)柵位移傳感器(簡(jiǎn)稱納米時(shí)柵)是在時(shí)柵原理的基礎(chǔ)上提出的一種基于交變電場(chǎng)耦合的時(shí)柵測(cè)量方法，其基本原理是“利用時(shí)空轉(zhuǎn)換思想，以時(shí)間測(cè)量空間”，即用時(shí)間量構(gòu)成空間測(cè)量基準(zhǔn)[6-8]，利用時(shí)間尺度來(lái)提高空間尺度測(cè)量的分辨力與精度，以避免光波波長(zhǎng)和光學(xué)衍射極限對(duì)納米位移測(cè)量的影響。

1　納米時(shí)柵的工作原理

納米時(shí)柵模型如圖1(a)所示，包括：動(dòng)尺和定尺部分，在動(dòng)尺和定尺基體上面通過(guò)半導(dǎo)體光刻技術(shù)鍍上一層電阻率極低的金屬薄層電極。其對(duì)應(yīng)的形狀為：動(dòng)尺電極為正弦形狀，定尺電極為矩形。動(dòng)尺電極兩路對(duì)稱分布，用導(dǎo)線將感應(yīng)信號(hào)引出。如圖1(b)所示，定尺電極同樣成兩排布置，但上、下排電極的起始位置相差1/2個(gè)電極寬度W(1～58為電極片)，每個(gè)電極片之間有一定的間隙。

(a)納米時(shí)柵測(cè)量簡(jiǎn)易模型

(b)定尺電極的連接圖

定尺上排的奇數(shù)號(hào)電極連成一組，偶數(shù)號(hào)電極連成一組，兩組電極組通A激勵(lì)相信號(hào)；下排的奇數(shù)號(hào)電極連成一組，偶數(shù)號(hào)電極連成一組，兩組電極組通B激勵(lì)相信號(hào)。動(dòng)尺與定尺正對(duì)平行放置，間隙為δ．動(dòng)尺上排電極與定尺上排電極正對(duì)，動(dòng)尺下排電極與定尺下排電極正對(duì)，形成上、下兩組差動(dòng)電容。

將A、B兩路激勵(lì)信號(hào)通過(guò)變壓器產(chǎn)生4路激勵(lì)信號(hào)，如圖2所示，其中，A、B激勵(lì)相的表達(dá)式為：

UA=Umsin(ωt)

(1)

UB=Umsin(ωt+π/2)=Umcos(ωt)

(2)

式中：Um為激勵(lì)信號(hào)幅值；ω為激勵(lì)信號(hào)頻率；t為時(shí)間量。

圖2　A激勵(lì)相差動(dòng)電容模型

當(dāng)動(dòng)尺與定尺發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，動(dòng)尺電極耦合的電壓值與正對(duì)覆蓋面積呈周期性變化，動(dòng)尺兩組正弦電極耦合信號(hào)分別為Ua、Ub，并形成兩路駐波，其表達(dá)式為：

(3)

(4)

式中：Ke為電場(chǎng)耦合系數(shù)；x為動(dòng)尺和定尺之間的相對(duì)位移；W為電極寬度。

將輸出的兩路電場(chǎng)耦合信號(hào)Ua、Ub通過(guò)加法器合成輸出一路行波信號(hào)Ux，表示為：

Ux=Ua+Ub

(5)

合成后的正弦行波信號(hào)Ux與一路相位固定的同頻率參考正弦信號(hào)Ur接入整形電路處理，轉(zhuǎn)換為同頻的兩路方波信號(hào)后，送入比相電路進(jìn)行處理，利用高頻時(shí)鐘插補(bǔ)技術(shù)得到兩路信號(hào)的相位差，經(jīng)微機(jī)系統(tǒng)處理后即可得到納米時(shí)柵位移傳感器動(dòng)尺與定尺之間的直線位移量。

2　試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究納米時(shí)柵位移傳感器的設(shè)計(jì)理論的前提是一套超精密的試驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)納米時(shí)柵的原理要求，所設(shè)計(jì)的超精密試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖3所示，包括：精密導(dǎo)軌系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)尺的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，通過(guò)精確控制導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)尺的運(yùn)動(dòng)控制；精密基座機(jī)構(gòu)，用于安裝定尺，通過(guò)粗調(diào)和微調(diào)基座來(lái)保證動(dòng)、定尺之間平行且等間距；高精度激勵(lì)源，用于激勵(lì)信號(hào)的精度且保持信號(hào)同步性，提高精度且同步的激勵(lì)信號(hào)源，為納米時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)提供保證。

圖3　超精密試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

2．1運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

納米時(shí)柵動(dòng)尺的運(yùn)動(dòng)需要借助于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，將其安裝在導(dǎo)軌上。因此，動(dòng)尺的運(yùn)動(dòng)特性取決于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)特性，一套精密的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)是超精密試驗(yàn)系統(tǒng)的前提。

傳統(tǒng)的直線導(dǎo)軌系統(tǒng)一般采用的是以滾珠絲杠螺母副為核心的機(jī)械傳動(dòng)鏈，由伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)作直線運(yùn)動(dòng)。精密滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)雖然具有剛度高、跟隨靈敏、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，但絲杠的制造誤差、裝配誤差、以及傳動(dòng)間隙誤差都會(huì)對(duì)控制精度產(chǎn)生影響。在測(cè)試納米時(shí)柵特性的過(guò)程中需要移動(dòng)速度約10 μm/min，若采用滾珠絲杠傳動(dòng)，則不容易保證控制精度。因此，為了實(shí)現(xiàn)高速、低速、高精度運(yùn)動(dòng)，通常采用無(wú)阻尼的氣浮導(dǎo)軌。特別是在納米時(shí)柵特性測(cè)試過(guò)程中，為了提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，多數(shù)系統(tǒng)采用空氣靜壓導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)非接觸支撐，并采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這樣，不存在導(dǎo)軌摩擦或者絲杠傳動(dòng)等機(jī)械約束，有利于提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，減少系統(tǒng)建立時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采用美國(guó)AEROTECH公司的精密直線氣浮系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)尺移動(dòng)，其行程為1 200 mm，精度0．75 μm/m．該氣浮導(dǎo)軌安裝在大理石光學(xué)平臺(tái)上面，減少基面的膨脹變形。通過(guò)氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的搭建，符合超精密納米時(shí)柵傳感器動(dòng)尺的試驗(yàn)要求。

2．2試驗(yàn)基座機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

通過(guò)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)的每次安裝不能保證動(dòng)、定尺平行且等間距，通過(guò)示波器測(cè)量動(dòng)尺的感應(yīng)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)兩路感應(yīng)信號(hào)的幅值不相等。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可以調(diào)節(jié)5個(gè)自由度的基座機(jī)構(gòu)來(lái)安裝定尺，通過(guò)調(diào)節(jié)基座機(jī)構(gòu)的5個(gè)自由度，來(lái)滿足動(dòng)、定尺的間距相等且平行。如圖4所示，設(shè)計(jì)的基座具有X、Y、Z軸移動(dòng)，繞Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的五自由度機(jī)構(gòu)。采用螺旋測(cè)微器原理設(shè)計(jì)每個(gè)軸，使其可以實(shí)現(xiàn)大位移和微位移。每次試驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)示波器測(cè)量感應(yīng)信號(hào)的幅值，微調(diào)五軸，可以使得兩路信號(hào)幅值相等。通過(guò)五自由度基座的設(shè)計(jì)，可以保證每次試驗(yàn)安裝環(huán)境的一致性，滿足超精密納米時(shí)柵試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

1—繞Z軸旋轉(zhuǎn)軸；2—X軸；3—Y軸；4—繞Y軸旋轉(zhuǎn)軸；5—Z軸；6—定尺；7—?jiǎng)映撸?—?jiǎng)映甙惭b板；9—?dú)飧≈本€導(dǎo)軌

2．3高精度激勵(lì)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW軟件是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，具有直觀、簡(jiǎn)便、快速、易于開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)。PXI-5422是專為需要帶寬的時(shí)域和頻域測(cè)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它提供80 MHz的帶寬，低脈沖偏移、低交調(diào)失真。它還包括以下諸多特性：模擬波形編輯器用于快速創(chuàng)建測(cè)試波形；利用SMC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)與其他PXI模塊間的ns級(jí)同步；高達(dá)512 MB的可共享波形與序列存儲(chǔ)；84 MB/s 波形數(shù)據(jù)下載速率等[10]。

利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW軟件和PXI-5422任意波形發(fā)生器硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)納米時(shí)柵信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)，為研究納米時(shí)柵試驗(yàn)提供了必要條件。

2．3．1前面板設(shè)計(jì)

根據(jù)納米時(shí)柵激勵(lì)信號(hào)試驗(yàn)要求，所設(shè)計(jì)的前面板包括：波形參數(shù)、硬件板卡選擇、采樣率、停止按鈕、波形幅值與增益、波形直流偏置等設(shè)置。如圖5所示，儀器前面板中控件主要分為2部分，右邊部分為所產(chǎn)生的波形圖顯示控件，從上往下依次為：方波、正弦及余弦。左邊部分為參數(shù)輸入控件，左上部分為通道選擇部分，總共3路通道對(duì)應(yīng)于納米時(shí)柵的兩路信號(hào)源與方波。左下部分為對(duì)3路信號(hào)的參數(shù)的設(shè)置，可以設(shè)置幅值、相位、Gain(增益)、偏置等相關(guān)參數(shù)。

2．3．2信號(hào)激勵(lì)試驗(yàn)系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì)

5路信號(hào)的產(chǎn)生采用NI-FGEN模塊化儀器信號(hào)發(fā)生器，它能產(chǎn)生任意波形，利用NI-TCLK模塊使其輸出同步信號(hào)。

信號(hào)產(chǎn)生流程圖如圖6所示。程序框圖設(shè)計(jì)如圖7所示，程序設(shè)計(jì)中采用for循環(huán)、While循環(huán)和Case條件判斷結(jié)構(gòu)構(gòu)成系統(tǒng)程序框架。

圖5　激勵(lì)信號(hào)前面板

圖6　信號(hào)產(chǎn)生流程圖

圖7　程序框圖

3　試驗(yàn)研究與分析

3．1試驗(yàn)平臺(tái)搭建

根據(jù)納米時(shí)柵傳感器試驗(yàn)系統(tǒng)要求，搭建如圖8所示的試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)。包括：虛擬儀器系統(tǒng)，用于提供高精度的激勵(lì)信號(hào)；精密氣浮直線導(dǎo)軌系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)尺各種運(yùn)動(dòng)特性；納米時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)，用于將動(dòng)尺感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理得出納米時(shí)柵測(cè)量值；精密試驗(yàn)基座機(jī)構(gòu)及激光干涉儀系統(tǒng)(精度±0．7 ppm)，用于標(biāo)定，將其值作為標(biāo)準(zhǔn)值。

圖8　納米時(shí)柵傳感器試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

3．2試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)的控制，激光干涉儀作標(biāo)定。每隔5 mm的行程與納米時(shí)柵位移傳感器的值對(duì)比，測(cè)量200 mm范圍內(nèi)得出納米時(shí)柵的原始誤差值。如圖9所示，納米時(shí)柵在200 mm范圍內(nèi)去原始誤差值約700 nm，符合納米時(shí)柵傳感器設(shè)計(jì)要求。因此，所設(shè)計(jì)的超精密納米時(shí)柵試驗(yàn)系統(tǒng)滿足試驗(yàn)要求。

圖9　誤差曲線

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)精密氣浮直線導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得納米時(shí)柵動(dòng)尺的運(yùn)動(dòng)特性提供了保障；精密實(shí)驗(yàn)基座機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，為動(dòng)、定尺的安裝環(huán)境的一致性提供了有利的幫助；高精度的激勵(lì)信號(hào)設(shè)計(jì)為納米時(shí)柵實(shí)驗(yàn)提供了方便。通過(guò)超精密納米時(shí)柵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，為納米時(shí)柵傳感器實(shí)驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)，為下一步納米時(shí)柵傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與精度的進(jìn)一步提高奠定了基礎(chǔ)。

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