基于二维光栅的多自由度位移测量系统技术方案

本发明专利技术提出了基于二维光栅的多自由度位移测量系统，包括分别设置在运动部件和活动部件上的读数模块以及二维光栅，其中，所述读数模块包括沿第一方向排列的两组第一位移传感器、沿第二方向排列的两组第二位移传感器以及位于第一传感器和第二传感器物理中心的距离传感器。本发明专利技术解决了传统多自由度测量系统中需要多路传感读数系统独立安装的难题，能够实现对二维平面位移、旋转量及垂直于二维平面的四个自由度方向的位移精密测量，且通过布设距离传感器，实现直接调节和确定读数模块与二维光栅的最佳读数间距位置，简化了传统二维光栅安装调试的工艺过程，同时降低了其调试的技术难度。

Multi degree of freedom displacement measurement system based on two-dimensional grating

【技术实现步骤摘要】
基于二维光栅的多自由度位移测量系统
本专利技术涉及光刻机设备领域，尤其是涉及基于二维光栅的多自由度位移测量系统。
技术介绍
在精密机械、航空航天、汽车制造、光学加工、半导体制造、3C等产业中，精密制造技术的要求，其核心技术就是对高端装备运动部件位移量精密测量能力的需求。现代测量系统中，无论是精密坐标位置测量还是运动过程控制，至少需要对系统工作台的两个正交方向上(如：X、Y轴)进行二维精确测量。在实现方式上，通常在工作台的几个方向上分别采用一维测量元件或装置来实现，在结构形式，则采用层叠的方式来完成系统的两自由度方向测量装置，即多自由度的运动控制需要同样数量的运动平台进行叠加。这样的工作台组合方式，导致了不同平面上的测量部件会带来不可避免的阿贝误差因素；多个分离组件装配的测量部件，其精度特性的不一致性，也是影响工作台的精度保持的主要因素。国际上，一种实用型的二维光栅测量系统是由德国海德汉公司最早推出，以正交网格状的光栅结构和集成式读数方式，实现了二维平面内两正交方向位移的同步测量，有效解决了阿贝误差大和两个方向上测量精度不一致的问题。由于存在安装、使用等技术上的明显优势，二维光栅测量系统在世界光刻机龙头企业ASML的NXT1950i光刻机中获得成功应用，取代了激光干涉仪，将该型号光刻机的在X、Y两个方向上的套刻精度提升到1.5nm，1.6nm。目前现在的二维光栅测量系统在实际应用中，存在以下两个问题：(1)二维工作台需要同时监测并获取平台在正交平面上的运动、运动的直线度及在垂直方面的跳动量等误差测试数据，再通过分析系统进行误差补偿，提升运动精度。(2)超精密工作台的运动控制需求，除了平面内的正交方向外，还需要垂直于正交平面方向的直线运动及其他旋转运动控制。上述两个技术问题是目前限制二维光栅测量系统应用的主要困难。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出了基于二维光栅的多自由度位移测量系统。本专利技术的主要内容包括：基于二维光栅的多自由度位移测量系统，用于测量固定部件与运动部件之间的位移，包括读数模块以及二维光栅，所述读数模块与所述二维光栅分别设置在固定部件和运动部件上；所述读数模块包括用于测量X方向位移的X向位移传感器单元、用于测量Y方向位移的Y向位移传感器单元以及用于测量固定部件与运动部件之间Z向位移的距离传感器；所述X向位移传感器单元包括两组第一位移传感器，两组所述第一位移传感器沿第一方向排列；所述Y向位移传感器单元包括两组第二位移传感器，两组所述第二位移传感器沿第二方向排列；所述第一方向和所述第二方向相互垂直，所述距离传感器位于两组第一位移传感器的连线以及两组第二位移传感器的连线的相交处；所述二维光栅用于X向位移传感器单元和Y向位移传感器单元的测量基础以及所述距离传感器的测量光线的反射面。优选的，两组所述第一位移传感器与所述距离传感器之间的距离相同，记为d1；两组所述第二位移传感器与所述距离传感器之间的距离相同，记为d2；其中，d1等于d2或者d1不等于d2。优选的，所述读数模块包括读数壳体，所述X向位移传感器单元、所述Y向位移传感单元以及所述距离传感器均设置在所述读数壳体的下表面，所述读数模块通过所述读数壳体固定安装在运动部件或固定部件上。优选的，所述读数模块还包括信息处理单元，所述信息处理单元与所述X向位移传感器单元、所述Y向位移传感器单元和所述距离传感器连接。优选的，所述信息处理单元包括传感器细分模组、X向位移精度补偿模组、Y向位移精度补偿模组、旋转角度计算模组以及数据接口模组；所述传感器细分模组将X向位移传感器单元、所述Y向位移传感器单元以及所述距离传感器传输来的信号分别转换为对应的数字脉冲信号，并将对应的数字脉冲信号分别传送至所述X向精度补偿模组和所述Y向精度补偿模组；所述X向精度补偿模组和所述Y向精度补偿模组输出标准的数字脉冲信号，后经所述数据接口模组输出；所述传感器细分模组与所述旋转角度计算模组连接，将X向位移传感器单元、所述Y向位移传感器单元传输来的信号传输来的信号转换后输入至所述旋转角度计算模组，所述旋转角度计算模块经旋转角度计算后经所述数据接口模组输出。优选的，所述信息处理单元为包含FPGA芯片、高速AD转换芯片以及ARM处理器的集成芯片。优选的，所述信息处理单元设置在所述读数壳体内或者通过电缆与所述X向位移传感器单元、所述Y向位移传感单元以及所述距离传感器连接。优选的，所述二维光栅包括光栅片，所述光栅片包括光栅基片以及设置在所述光栅基片上的反射膜层，所述光栅基片的材质为玻璃、不锈钢、铜、铝合金或者零膨胀材料；所述反射膜层为凹凸不平的凹槽结构或者凸起结构。优选的，所述二维光栅还包括安装平台，所述安装平台中心开设有安装凹槽，所述光栅片通过所述安装夹具固定设置在所述安装凹槽内。相对于现有技术，本专利技术提出的基于二维光栅的多自由度位移测量系统，通过X向位移传感器单元、Y向位移传感器单元以及距离传感器的布设，具有如下有效效果：(1)弥补了传统二维光栅只能测量二维平面内位移的不足，实现了包括二维平面内位移、旋转量和垂直于二维平面的位移的多自由度测量，大大拓展了二维光栅的应用范畴；(2)通过在两个正交的第一方向和第二方向上分别布设两组第一位移传感器和两组第二位移传感器，不仅能够为旋转量的计算提供位移数据支持，还能够实现两组第一位移传感器之间、两组第二位移传感器之间的误差补偿，有效提高二维平面内位移测量的精度；(3)通过布设距离传感器，不仅能够实现垂直于二维平面位移的距离测量，还能够依据其位移数据，将读数模块与二维光栅的间距调整至最佳的读数位置，降低调试难度，提高信号质量以及位移测量精度。附图说明图1为本专利技术一个实施例的整体结构示意图；图2为本专利技术的读数模块的示意图；图3为本专利技术读数壳体的结构示意图；图4为本专利技术信息处理单元的数据处理示意图；图5为本专利技术旋转量计算示意图；图6为一个实施例中反射膜层的结构示意图；图7为另一个实施例中反射膜层的结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术所保护的技术方案做具体说明。请参阅图1至图7。本专利技术提出了基于二维光栅的多自由度位移测量系统，用于测量固定部件与运动部件之间的位移，具体地，所述测量系统包括读数模块01以及二维光栅03，其中，所述读数模块01与所述二维光栅03分别设置在固定部件和运动部件上，即一种实施例中，所述读数模块01设置在运动部件上，而所述二维光栅03设置在固定部件上，另一种实施例中，所述读数模块01固定设置在固定部件上，对应的，所述二维光栅03固定设置在活动部件上，通过读数模块01与所述二维光栅03的数据计算出活动部件和固定部件之间的位移。本专利技术的位移测量装置中的所述读数模块01包括用于测量X方向位移的X向位移传感器单元、用于测量Y方向位移的Y向位移传感器单元以及用于测量固定部件与运动部件之间Z向位移的距离传感器3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于二维光栅的多自由度位移测量系统，用于测量固定部件与运动部件之间的位移，其特征在于，包括读数模块以及二维光栅，所述读数模块与所述二维光栅分别设置在固定部件和运动部件上；所述读数模块包括用于测量X方向位移的X向位移传感器单元、用于测量Y方向位移的Y向位移传感器单元以及用于测量固定部件与运动部件之间Z向位移的距离传感器；所述X向位移传感器单元包括两组第一位移传感器，两组所述第一位移传感器沿第一方向排列；所述Y向位移传感器单元包括两组第二位移传感器，两组所述第二位移传感器沿第二方向排列；所述第一方向和所述第二方向相互垂直，所述距离传感器位于两组第一位移传感器的连线以及两组第二位移传感器的连线的相交处；所述二维光栅用于X向位移传感器单元和Y向位移传感器单元的测量基础以及所述距离传感器的测量光线的反射面。/n

【技术特征摘要】
1.基于二维光栅的多自由度位移测量系统，用于测量固定部件与运动部件之间的位移，其特征在于，包括读数模块以及二维光栅，所述读数模块与所述二维光栅分别设置在固定部件和运动部件上；所述读数模块包括用于测量X方向位移的X向位移传感器单元、用于测量Y方向位移的Y向位移传感器单元以及用于测量固定部件与运动部件之间Z向位移的距离传感器；所述X向位移传感器单元包括两组第一位移传感器，两组所述第一位移传感器沿第一方向排列；所述Y向位移传感器单元包括两组第二位移传感器，两组所述第二位移传感器沿第二方向排列；所述第一方向和所述第二方向相互垂直，所述距离传感器位于两组第一位移传感器的连线以及两组第二位移传感器的连线的相交处；所述二维光栅用于X向位移传感器单元和Y向位移传感器单元的测量基础以及所述距离传感器的测量光线的反射面。


2.根据权利要求1所述的基于二维光栅的多自由度位移测量系统，其特征在于，两组所述第一位移传感器与所述距离传感器之间的距离相同，记为d1；两组所述第二位移传感器与所述距离传感器之间的距离相同，记为d2；其中，d1等于d2或者d1不等于d2。


3.根据权利要求1所述的基于二维光栅的多自由度位移测量系统，其特征在于，所述读数模块包括读数壳体，所述X向位移传感器单元、所述Y向位移传感单元以及所述距离传感器均设置在所述读数壳体的下表面，所述读数模块通过所述读数壳体固定安装在运动部件或固定部件上。


4.根据权利要求3所述的基于二维光栅的多自由度位移测量系统，其特征在于，所述读数模块还包括信息处理单元，所述信息处理单元与所述X向位移传感器单元、所述Y向位移传感器单元和所述距离传感器连接。


5.根据权利要求4所述的基于二维光栅的多...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红忠，史永胜，尹磊，陈邦道，
申请(专利权)人：苏州秦宁微纳光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32