纳米级定位精度一维位移工作台制造技术

本发明专利技术提供一种纳米级定位精度一维位移工作台，包括工作台部分、位置检测部分、信号处理与控制电路部分、驱动部分；工作台包括粗调、精调两级定位工作台，粗定位工作台置于垂直方向的滚动导轨中间，粗定位工作台的下方是粗位移调整机构；精调定位工作台的底座置于粗定位工作台的内腔中，通过折叠式柔性铰支机构与粗定位工作台的内腔连接，精调定位工作台的底座下方与粗定位工作台之间有压电微位移器作为精位移调整机构；粗、精位移调整机构的驱动部分与信号处理与控制电路连接。采用固定于工作台上的衍射光栅作为工作台位移的测量传感器，形成与位移有关的检测信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到一种纳米级定位精度一维位移工作台，具体地说，是一种一维位移工作台，该工作台可实现垂直方向的宽范围、超精密位移定位，用于微电子工程、计量科学与技术、光学与光电子工程、精密工程、生物工程、纳米科学与技术等科技领域的精密定位。
技术介绍
微电子工程、计量科学与技术、光学与光电子工程、精密工程、生物工程、纳米科学与技术等科技领域的发展，对精密定位提出了越来越高的要求。现有精密位移工作台一般存在工作范围大则精度低、定位速度慢(见L.Juhas，A.Vuianic，N.Adamovic，L.Nagy，B.Borovac，Aplatform for micro-positioning based on piezo legs，Mechatronics2001，11869-897)，而定位精度高、速度快则工作范围小的问题(见Awabdy BA，Shih WC，Auslander DM，Nanometer positioning of a linearmotion stage under static loads，IEEE Trans Mechatronics，19983(2)113-9)，此外，现有长行程、纳米级工作台的测量反馈系统多数采用双频激光干涉测量系统，作为反馈测量环节，这种系统体积大——一般都在几百毫米以上，安装很难符合阿贝原则，且成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米级定位精度一维位移工作台，特别是能克服上述缺陷、工作范围大、定位精度高、定位速度快的一维位移工作台，用于一维超精密定位。本专利技术的技术方案本专利技术包括工作台部分、位置检测部分、信号处理与控制电路部分、驱动部分，其特征在于工作台包括粗调、精调两级定位工作台，粗定位工作台置于垂直方向的滚动导轨中间，粗定位工作台的下方是粗位移调整机构；精调定位工作台的底座置于粗定位工作台的内腔中，通过折叠式柔性铰支机构与粗定位工作台的内腔连接，精调定位工作台的底座下方与粗定位工作台之间有压电微位移器作为精位移调整机构；粗、精位移调整机构的驱动部分与信号处理与控制电路连接。所述的纳米级定位精度一维位移工作台，其粗定位工作台的位移调整机构是位于粗定位工作台下方的楔形位移缩小机构，通过螺母螺杆机构与驱动电机连接。所述的纳米级定位精度一维位移工作台，其位置检测是由光栅传感器完成。作为位移测量传感器的衍射光栅固定在精定位工作台底座上，半导体激光器发射的激光束垂直入射到光栅上，产生的±1级衍射光分别经过两个对称放置的角锥棱镜反射，再次入射到光栅面上产生衍射，将二次衍射光汇聚形成干涉条纹，再投射到光电探测器上，并由光电探测器形成与位移有关的光栅信号。所述的纳米级定位精度一维位移工作台，其信号处理与控制电路依次有光栅信号放大电路、计数与细分电路与计算机的输入端连接；计算机输出端通过D/A转换电路与压电微位移高压驱动电路连接，通过I/O控制电路与步进电机驱动器连接。本专利技术的优点1、本专利技术工作台采用的粗、细两级定位结构，既保证了工作台在较大范围内快速移动又利用了压电陶瓷驱动具有高分辨率、快速响应、无磨擦和磨损、低功耗、不受磁场影响及对运行环境要求低等优点，保证了工作台的定位准确。该工作台可用在半导体与超精密加工的光刻技术、微制造、微机电系统、表面形貌测量及纳米级坐标测量等方面，其工作范围大、定位精度高、定位速度快。2、本专利技术采用衍射光栅作为位置测量传感器，能够实现高精度、大范围的位置检测，光栅直接与工作台固连在一起，极大地减少了阿贝误差的影响。总之，本工作台能实现一维位移精密定位，可以用于表面形貌测量及纳米级坐标测量、半导体与超精密加工的光刻技术、微制造、微机电系统等方面。附图说明图1为本专利技术的一维工作台的主视图；图2为衍射光栅的光路示意图；图3工作台的信号处理和控制电路结构示意图；图4粗、精工作台主视图；图5工作流程图。具体实施例方式本专利技术的工作台如图1所示，包括工作台部分、位置检测部分、信号处理与控制电路部分和驱动部分。工作台部分包括粗调定位工作台2、精调定位工作台1，粗定位工作台2置于垂直方向的滚动导轨4中间，粗定位工作台的下方是粗位移调整机构6；精调定位工作台1的底座1-1置于粗定位工作台的内腔2-1中，底座1-1通过四个对称的折叠式柔性铰支机构8与粗定位工作台的内腔2-1连接。精调定位工作台底座1-1下方与粗定位工作台之间是压电微位移器5作为精位移调整机构，由柔性铰支机构8导向；精调定位工作台1通过连接板1-2与底座1-1连接并固定；粗、精位移调整机构的驱动部分与信号处理与控制电路10连接。粗定位工作台2的位移调整机构是位于粗定位工作台下方的楔形位移缩小机构6，通过螺母螺杆机构与驱动电机连接。螺母螺杆机构及电机7驱动上楔形块沿水平方向移动，该移动以一定的缩小比例使粗定位工作台以及精定位工作台沿垂直方向移动。精位移调整机构压电微位移器5由压电微位移高压驱动电路16驱动。图2为光栅光路示意图本专利技术采用衍射光栅作为位移测量传感器，包括衍射光栅13固定在精定位工作台底座1-1上，以衍射光栅13为核心，激光器12、角锥棱镜3、直角棱镜11和光电探测器9为辅助，构成位置检测装置，由激光器12发出的光束通过准直透镜L垂直入射到衍射光栅13上，产生的±1级衍射光分别经过两个对称放置的角锥棱镜3反射，再次入射到光栅13上产生衍射，使其汇合于直角棱镜11产生干涉条纹，干涉条纹投射到光电探测器9上，由光电探测器9形成与位移有关的光栅信号，再送到信号处理与控制电路。信号处理与控制电路10如图3所示包括计算机14输入端的光栅信号放大电路19、计数与细分电路20；计算机输出端通过D/A转换电路15与压电微位移高压驱动电路16连接，驱动压电微位移器5；通过I/O控制电路17与步进电机驱动器18连接，驱动步进电机7。图4是粗、精工作台主视图图中粗黑线表示线切割轨迹，折叠式平行平板柔性铰支机构8的一端与精定位工作台底座1-1连接，另一端固定在粗定位工作台2上，四个对称的柔性铰支机构8对精定位工作台底座1-1形成稳定地支承和位移导向，通过精定位工作台底座1-1下部的压电微位移器5驱动调整，精调定位工作台1通过连接板1-2与底座1-1连接并固定(如图1)；压电微位移器的驱动由图3所示的计算机14通过D/A转换电路15以及压电陶瓷高压驱动电路16驱动，实现对精调定位工作台1的一维微位移运动。为了实现工作台宽范围、高精度的定位移动，如图1所示，精定位工作台1固定在精定位工作台底座1-1上，精定位工作台底座1-1由压电微位移器驱动，并通过四个对称的柔性铰支机构8与粗定位工作台2连接，粗定位工作台2由垂直固定在运动基准面A上的垂直方向滚动导轨4导向，电机驱动楔形位移缩小机构6使粗定位工作台产生垂直方向位移，与粗定位工作台固定在一起的精定位工作台也将随之等量移动；衍射光栅13固定在精定位工作台底座1-1上，所形成的与位移有关的光栅信号经信号放大电路19和计数与细分电路20将位移信号传输给计算机14；计算机经过与目标位置参数比较，所得差距大于10μm，通过I/O控制电路控制步进电机驱动器，驱动电机转动，完成粗调整；所得差距小于10μm，通过D/A转换电路控制压电陶瓷高压驱动电路，压电陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米级定位精度一维位移工作台，包括工作台部分、位置检测部分、信号处理与控制电路部分、驱动部分，其特征在于：工作台包括粗调、精调两级定位工作台，粗定位工作台置于垂直方向的滚动导轨中间，粗定位工作台的下方是粗位移调整机构；精调定位工作台的底座置于粗定位工作台的内腔中，通过折叠式柔性铰支机构与粗定位工作台的内腔连接，精调定位工作台的底座下方与粗定位工作台之间有压电微位移器作为精位移调整机构；粗、精位移调整机构的驱动部分与信号处理与控制电路连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴蓉，谢铁帮，常淑萍，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]