專利名稱：一種二維位移工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種位移工作臺，具體地說，是一種二維位移工作臺，該工作臺可實(shí)現(xiàn)X與Y向的寬范圍、超精密位移定位。
本發(fā)明的目的在于提供一種能克服上述缺陷的二維位移工作臺，用于在X、Y兩方向上進(jìn)行超精密定位。該工作臺可用在半導(dǎo)體與超精密加工的光刻技術(shù)、微制造、表面形貌測量及超精密級坐標(biāo)測量等方面。其工作范圍大、定位速度快、定位精度高。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，一種二維位移工作臺，包括粗定位工作臺、細(xì)定位工作臺、位置檢測裝置和信號處理與控制電路，其特征在于所述粗定位工作臺包括位于粗定位X向滾動導(dǎo)軌中間的粗定位X向工作臺，與位于粗定位Y向滾動導(dǎo)軌中間的粗定位Y向工作臺，并且兩部分為內(nèi)外兩層分布；粗定位X向工作臺底部緊貼在運(yùn)動基準(zhǔn)A上，由粗定位X向驅(qū)動電機(jī)、第一螺母螺桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動，粗定位Y向工作臺由粗定位Y向驅(qū)動電機(jī)和第二螺母螺桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動；所述細(xì)定位工作臺包括細(xì)定位X向工作臺和位于其外層的細(xì)定位Y向工作臺，其基座固定在粗定位X向工作臺上；細(xì)定位X向工作臺由與細(xì)定位Y向工作臺相連的X向支點(diǎn)支承，通過壓電微位移器驅(qū)動；細(xì)定位Y向工作臺由與基座相連的Y向支點(diǎn)(17)支承，通過壓電微位移器驅(qū)動；作為二維位移測量傳感器的正交衍射光柵位于工作臺底部，并通過連桿與細(xì)定位X向工作臺固定連接，激光器位于正交衍射光柵的下方，角錐棱鏡位于激光器的四周，并與位于同一光路上的兩組垂直放置的直角棱鏡、放大鏡和光電探測器共同構(gòu)成所述的位置檢測裝置，形成與位移有關(guān)的光柵信號；所述信號處理與控制電路包括壓電微位移高壓驅(qū)動電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、I/O控制電路、光柵信號放大電路、計數(shù)與細(xì)分電路與計算機(jī)；計算機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換電路與壓電陶瓷高壓驅(qū)動器驅(qū)動壓電微位移器，并通過I/O控制電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動粗定位X向驅(qū)動電機(jī)和粗定位Y向驅(qū)動電機(jī)；正交衍射光柵通過光柵信號放大電路和計數(shù)與細(xì)分電路將位移信號傳輸給計算機(jī)。
在對比文獻(xiàn)中，文獻(xiàn)[1]提到的二維工作臺，雖然定位精度很高，能達(dá)到0.01um，但其工作范圍很小，通常不到10um；文獻(xiàn)[2]工作范圍大，但重復(fù)定位誤差大于0.1um；文獻(xiàn)[3]中的工作范圍大，定位精度也高，但阿貝爾誤差大，且價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難以及環(huán)境要求高等缺點(diǎn)，實(shí)用性差。本發(fā)明的x-y二維工作臺既保持了很高的定位精度(重復(fù)定位精度達(dá)0.01um)，又具有較大的工作范圍(與光柵的尺寸有關(guān)，一般可達(dá)到幾十毫米級)，同時定位速度快，而且重要的一點(diǎn)是成本低，系統(tǒng)穩(wěn)定，容易調(diào)整。
本發(fā)明采用正交衍射光柵作為位置測量傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、大范圍的X、Y兩向位置檢測，并直接與工作臺固連在一起，極大地減少了阿貝爾誤差的影響。工作臺分粗定位工作臺與細(xì)定位工作臺。粗定位工作臺由電機(jī)驅(qū)動，保證了工作臺在較大范圍內(nèi)快速移動；細(xì)定位工作臺由壓電陶瓷驅(qū)動，由于壓電陶瓷具有高分辨率、快速響應(yīng)、無摩擦和磨損、低功率消耗、不受磁場影響及對運(yùn)行環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點(diǎn)，保證了工作臺的準(zhǔn)確定位。本發(fā)明所涉及到的材料、零件價格低廉，所涉及到的光路結(jié)構(gòu)簡單，易調(diào)整；除工作臺本身的精度和平穩(wěn)性要求較高外，對驅(qū)動電機(jī)、壓電陶瓷及其驅(qū)動電路的要求也不高，因而容易實(shí)現(xiàn)。
細(xì)定位工作臺1的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它在一個平面上布置內(nèi)外兩層柔性鉸支機(jī)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)x與y向的運(yùn)動。細(xì)定位X向工作臺21由X向四個支點(diǎn)16穩(wěn)定地支承，通過壓電微位移器18驅(qū)動，細(xì)定位Y向工作臺20由Y向四個支點(diǎn)17穩(wěn)定地支承，通過壓電微位移器19驅(qū)動，可產(chǎn)生相互正交的運(yùn)動。壓電微位移器采用壓電陶瓷，并由圖4所示的計算機(jī)28通過D/A轉(zhuǎn)換電路23與壓電陶瓷高壓驅(qū)動器22驅(qū)動。
為了實(shí)現(xiàn)工作臺寬范圍、高精度的定位移動，如

圖1、2、3所示，細(xì)定位工作臺的基座30固定在粗定位X向工作臺2上，粗定位X向滾動導(dǎo)軌15固定在粗定位Y向工作臺3上，粗定位Y向滾動導(dǎo)軌4固定在運(yùn)動基準(zhǔn)面A上，這樣，細(xì)定位工作臺1隨粗定位的X向工作臺2和粗定位的Y向工作臺3的移動而移動。正交衍射光柵5通過連桿29與細(xì)定位X向工作臺21固連在一起，并通過工作臺預(yù)留的活動孔伸到工作臺底部，使正交衍射光柵5能準(zhǔn)確記錄細(xì)定位X向工作臺21的X、Y向二維絕對位移，從而使工作臺形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。以正交衍射光柵5為核心，激光器7、反射鏡或角錐棱鏡6，直角棱鏡8、放大鏡9和光電探測器10為輔助，如圖6(a)、6(b)所示，組成位置檢測裝置，形成與位移有關(guān)的光柵信號，經(jīng)放大電路26、計數(shù)與細(xì)分電路27后，與計算機(jī)28相連。
為了保證工作臺的運(yùn)動平面度，粗定位X向工作臺2底部緊貼在運(yùn)動基準(zhǔn)A上，由粗定位X向驅(qū)動電機(jī)12、第一螺母螺桿機(jī)構(gòu)14驅(qū)動，沿X向滾動導(dǎo)軌15移動。粗定位Y向工作臺3由粗定位Y向驅(qū)動電機(jī)11、第二螺母螺桿機(jī)構(gòu)13驅(qū)動，沿Y向滾動導(dǎo)軌4移動。電機(jī)由圖4所示的計算機(jī)28通過I/O電路25與電機(jī)驅(qū)動器24控制。
光柵檢測裝置原理如圖5所示由LD發(fā)出的光束通過準(zhǔn)直透鏡L進(jìn)入正交衍射光柵，形成+1(x)、-1(x)、+1(y)、-1(y)四束衍射光，通過反射鏡，使其兩兩匯合于棱鏡B1、B2產(chǎn)生干涉條紋，通過放大鏡AM1、AM2，進(jìn)入光電探測器P1、P2上。圖4所示的光柵干涉信號處理電路26、27分別為光柵信號的前置與差分放大電路、計數(shù)與細(xì)分電路。
工作臺定位工作方法當(dāng)工作臺要移動到某個目標(biāo)位置時，通過正交衍射光柵對細(xì)定位工作臺的位置進(jìn)行實(shí)時檢測，并將檢測到的實(shí)際X、Y位置反饋回計算機(jī)，并與目標(biāo)位置相比較，驅(qū)動電機(jī)移動粗定位工作臺，直到當(dāng)前位置與給定位置的兩向坐標(biāo)相差小于10um后，再通過驅(qū)動壓電微位移器，直到細(xì)定位工作臺達(dá)到所要求的定位精度為止。
權(quán)利要求
1.一種二維位移工作臺，包括粗定位工作臺、細(xì)定位工作臺、位置檢測裝置和信號處理與控制電路，其特征在于所述粗定位工作臺包括位于粗定位X向滾動導(dǎo)軌(15)中間的粗定位X向工作臺(2)，與位于粗定位Y向滾動導(dǎo)軌(4)中間的粗定位Y向工作臺(3)，并且兩部分為內(nèi)外兩層分布；粗定位X向工作臺(2)底部緊貼在運(yùn)動基準(zhǔn)A上，由粗定位X向驅(qū)動電機(jī)(12)、第一螺母螺桿機(jī)構(gòu)(14)驅(qū)動，粗定位Y向工作臺(3)由粗定位Y向驅(qū)動電機(jī)(11)和第二螺母螺桿機(jī)構(gòu)(13)驅(qū)動；所述細(xì)定位工作臺包括細(xì)定位X向工作臺(21)和位于其外層的細(xì)定位Y向工作臺(20)，其基座(30)固定在粗定位X向工作臺(2)上；細(xì)定位X向工作臺(21)由與細(xì)定位Y向工作臺(20)相連的X向支點(diǎn)(16)支承，通過壓電微位移器(18)驅(qū)動；細(xì)定位Y向工作臺(20)由與基座(30)相連的Y向支點(diǎn)(17)支承，通過壓電微位移器(19)驅(qū)動；作為二維位移測量傳感器的正交衍射光柵(5)位于工作臺底部，并通過連桿(29)與細(xì)定位X向工作臺(21)固定連接，激光器(7)位于正交衍射光柵(5)的下方，角錐棱鏡(6)位于激光器(7)的四周，并與位于同一光路上的兩組垂直放置的直角棱鏡(8)、放大鏡(9)和光電探測器(10)共同構(gòu)成所述的位置檢測裝置，形成與位移有關(guān)的光柵信號；所述信號處理與控制電路包括壓電微位移高壓驅(qū)動電路(22)、D/A轉(zhuǎn)換電路(23)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器(24)、I/O控制電路(25)、光柵信號放大電路(26)、計數(shù)與細(xì)分電路(27)與計算機(jī)(28)；計算機(jī)(28)通過D/A轉(zhuǎn)換電路(23)與壓電陶瓷高壓驅(qū)動器(22)驅(qū)動壓電微位移器(19)，并通過I/O控制電路(25)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器(24)驅(qū)動粗定位X向驅(qū)動電機(jī)(12)和粗定位Y向驅(qū)動電機(jī)(11)；正交衍射光柵(5)通過光柵信號放大電路(26)和計數(shù)與細(xì)分電路(27)將位移信號傳輸給計算機(jī)(28)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二維位移工作臺,由粗定位工作臺(2)和細(xì)定位工作臺(1)組成,細(xì)定位工作臺的基座固定在粗定位工作臺上。粗定位工作臺由電機(jī)(11)、(12)驅(qū)動,細(xì)定位工作臺由壓電微位移器(15)、(16)驅(qū)動。在整個工作臺的移動過程中,兩個方向的位移量由正交衍射光柵尺(5)給出。工作臺的特點(diǎn)是①采用閉環(huán)系統(tǒng),工作臺的定位速度快,采用粗定位和細(xì)定位相結(jié)合的方法,定位精度高。②工作臺X、Y向移動均貼著一公共平面基準(zhǔn)運(yùn)動,使用工作臺進(jìn)行加工與測量時,具有確定的平面基準(zhǔn)。③采用平面正交衍射光柵作為計量標(biāo)準(zhǔn)器,可顯著減少阿貝爾誤差,工作范圍大,且較容易獲得超精密級的分辨率。
文檔編號G01B11/04GK1387021SQ0213870
公開日2002年12月25日 申請日期2002年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月21日
發(fā)明者王選擇, 郭軍, 曾文涵, 謝鐵邦 申請人:華中科技大學(xué)