电容传感器线性度标定平台

设计了一种电容位移传感器在线标定平台,用于位移的高精度调节和检测。该平台的运动对称中心轴、测量光路的对称中心轴和传感器的传感轴共轴,故从测量原理上减小了阿贝误差。标定平台具有z/tip/tilt调节功能,保证了传感器的传感面和被测面板的被测面之间的装调对准。介绍了标定平台的组成和标定方法的原理,采用对称平行四边形机构实现了微位移调节,基于柔度矩阵法(CMM)分析了导向机构的输出柔度和行程。试验测得动平台行程为735.162μm,和有限元法(FEM)、CMM计算结果的误差分别为7.410%和4.633%,满足行程误差要求。经过标定补偿后,传感器的线性度由0.014 21%提高至0.006 231%。实验结果显示,该线性度标定方法精度高,标定后的传感器满足位移精密调节机构使用要求。     

单振子二自由度球面马达的运动机理

利用矩形板形压电振子的两种振动模态,构建了一种采用单片压电振子驱动球形转子,形成两个旋转自由度的压电球面超声马达,对马达的作用机理进行了仿真分析和试验验证.利用有限元法对马达的矩形板压电振子的振动模态、共振频率进行了分析计算,仿真结果表明矩形板压电振子能够形成振型清晰的B32和B23振动模态,模态频率分别为49.127 kHz和49.756 kHz.对压电振子上每个凸起与球形转子之间的接触点的运动轨迹进行了计算机仿真,并对仿真结果进行了试验验证.分析结果表明各接触点能有效形成时序合理的椭圆运动轨迹,作为支撑足的一组凸起的变形量占作为驱动足的一组凸起的变形量的30%,能够用于驱动球形转子形成二自由度转动.仿真分析和试验结果证明了二自由度球面马达球形转子形成二维运动的作用机理.     

6-PSS型光学元件精密轴向调节机构

设计了一种采用6-PSS型并联机构的光学元件精密轴向调节机构,以使光刻物镜中光学元件的调节行程达微米级,调节精度达纳米级.将6-PSS型并联机构中的6个移动副改进为3个,减少了驱动器的使用数量,提高了轴向调节机构的可靠性;设计了一种圆角薄柔性铰链结构作为6-PSS型并联机构中的球铰副,实现了轴向调节机构的结构一体化,简化了光机组件的装调过程,提高了机构的机械精度;利用空间矢量法分析了机构输入构件与输出构件之间的位置关系,推导出了机构的传动比表达式,为机构主要结构尺寸的选取提供了依据.轴向调节机构的验证试验结果表明:机构传动比的理论计算值接近于实测值;轴向调节机构的调节行程为74.4 μm,调节精度在40 nm以内,满足光刻物镜中光学元件轴向调节机构的使用需求.     

单振子二自由度超声电机驱动电源

设计了用于平板形单振子二自由度超声电机的驱动电源,并针对驱动电源电流负荷较大,输出功率利用率不高的问题,提出了优化驱动性能的措施.该电源利用压控振荡器产生正弦小信号,经高压及功率放大后得到较高的驱动电压及较大的驱动电流实现电机驱动.根据压电振子等效电路模型及工作特性,采取与超声电机并联电感的方法优化了电源驱动性能.制作了驱动电源样机,并对输出性能及优化效果进行了测试.测试结果表明:设计的电源驱动电压及频率可独立连续调节,可输出理想的正弦信号波形;在49.127 kHz、49.756 kHz两种频率下,接超声电机负载时,最大输出电压分别为176.0 V及171.2 V;超声电机并联1.442 mH电感后,电源驱动电流可减少至原来的7.27％和7.41％,功率因数可提高至0.968和0.9550.得到的结果显示,设计的电源满足超声电机驱动要求,采取的优化措施在减小电源电流负荷及提高电源输出功率利用率方面效果明显.     

高精度位移传感器线性度标定方法研究

针对光学系统中光学元件的高精度位移调节和检测问题,提出一种非接触电容位移传感器的线性度标定方法,搭建了一个运动轴、测量轴和传感轴三轴共线的标定平台,从测量原理上消除阿贝误差。介绍了标定平台的组成和标定方法的原理,采用对称平行四边形机构实现微位移调节,基于柔度矩阵法分析了调节机构的输出柔度和行程。试验结果表明,机构的柔度为13.585μm/N,运动行程为543.4μm,分辨率约为10 nm。经过标定补偿计算,传感器的线性度由0.047 14%提高至0.004 84%。该线性度标定方法精度高,标定后的传感器满足精密位移调节机构使用要求。     

电容式位移传感器的线性度标定与不确定度评定

由于光刻投影物镜装调中电容传感器的线性度指标不能够满足位移调节精度的需求,本文提出了一种提高电容传感器测量线性度的方法。该方法采用压电驱动器提供位移进给;采用高精度激光测长干涉仪校准电容传感器的线性度,提供位移反馈以保证运动控制精度。采用高阶曲线拟合方法得到拟合系数对传感器线性度进行在线标定;对标定实验中的环境、安装、机构以及控制等进行不确定度分析与评定以保证电容传感器的线性度测量精度;最后进行电容传感器线性度的标定实验。实验结果表明:本文提出的线性度标定方法能够减小各误差项对于测量结果的影响,标定后传感器线性度由0.047 14%提高至0.004 84%,近一个数量级,并且线性度重复性较高,重复性偏差为0.38nm,全行程内线性度的合成不确定度为5.70nm,能够满足光刻物镜中位移控制精度的需求。     

高精度六维激光测量系统误差补偿算法研究

根据极大规模集成电路制造对光刻物镜中敏感光学元件调节机构高精度的调整要求,研究设计了一套基于双频激光干涉仪的高精度六自由度位姿检测测量系统。但由于双频激光干涉仪是一种线性增量式的测长仪器,其固有的机械安装误差及运动平台在工作过程中引入的倾斜或旋转运动都将导致测量光程的变化而产生阿贝误差与余弦误差。为此,根据系统测量原理,采用解析法基于空间齐次变换建立了系统误差补偿数学模型,并深入分析了装调误差对测量精度的影响,实现了调节机构六自由度运动的高精度测量。     

平板形单振子多自由度压电马达

对提出的一种平板形单振子多自由度压电马达进行了理论设计和试验研究。利用梁函数组合法,计算了压电马达的工作模态频率,得出了布置于马达压电振子表面的各凸起之间间距的设计依据;提出凸起的尺寸应使其一阶弯曲振动频率与整个压电振子工作频率一致,给出了各凸起尺寸的选取原则。根据设计理论,制作了马达样机,对样机的运动能力进行了试验测试。结果表明:马达工作模态频率的理论计算结果接近于实测值;当驱动电压为90V、频率为45kHz时,马达绕矩形板压电振子长度方向轴向的转速为45.6r/min。     

面向电容式传感器线性度标定的柔性微动机构设计

针对光学精密工程中位移检测问题,研制了一种电容式位移传感器线性度标定装置。阐明了标定装置的组成和标定方法的原理,该装置采用运动轴、测量轴和传感轴三轴共线的设计方案,从测量原理上降低了阿贝误差。基于伪刚体模型和拉格朗日方程建立了机构位移、刚度、强度和固有频率的理论模型,为机构优化设计提供理论依据。计算和仿真结果表明理论模型和有限元分析误差分别为3.764%、3.908%、14.842%和2.666%。试验结果表明行程测试值与理论值、有限元计算值的误差分别为9.254%和13.524%,刚度测试值与理论值、有限元计算值的误差分别为8.472%和11.914%。标定后传感器测试线性度由0.057 48%提高至0.004 39%,测试精度改善明显,能够满足光学精密位移测试需求。表明所搭建的标定装置有效,且建立的机构理论模型和分析方法可信。