大量程納米時(shí)柵位移傳感器的測(cè)量模型和誤差機(jī)理研究.pdf

1、大量程納米位移測(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，是衡量一個(gè)國(guó)家精密加工制造發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志。然而同時(shí)實(shí)現(xiàn)大量程、納米級(jí)的位移測(cè)量一直是世界性的技術(shù)難題，大量程與高測(cè)量精度和分辨率往往不可同時(shí)兼得。目前能實(shí)現(xiàn)大量程納米測(cè)量的技術(shù)中，光柵傳感器以高精度、大量程、高可靠性等優(yōu)勢(shì)占據(jù)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的絕對(duì)主導(dǎo)的地位。然而光柵的測(cè)量方法和柵線制造同時(shí)面臨光學(xué)衍射極限

2、的制約，導(dǎo)致其性能難以進(jìn)一步提升。此外，相關(guān)原創(chuàng)思想和核心技術(shù)均被少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家所掌握，并對(duì)其他國(guó)家嚴(yán)格封鎖。我國(guó)對(duì)于光柵傳感器主要還在做跟蹤式的研究工作，導(dǎo)致技術(shù)水平始終滯后于國(guó)外，高端光柵傳感器大量依賴進(jìn)口。為此，作者所在的課題組在擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的時(shí)柵測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于電容陣列結(jié)構(gòu)、采用交變電場(chǎng)來構(gòu)建勻速運(yùn)動(dòng)參考系的第三代電場(chǎng)式時(shí)柵傳感器——納米時(shí)柵。
　　納米時(shí)柵傳感器利用時(shí)柵測(cè)量技術(shù)解決了分辨率受柵距制約的問

3、題，采用平板電容結(jié)構(gòu)作為傳感單元可降低制造精度要求，依托光柵先進(jìn)的微納制造工藝可實(shí)現(xiàn)大批量高效率的生產(chǎn)。以上優(yōu)勢(shì)使納米時(shí)柵傳感器有望突破大量程納米測(cè)量領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)低成本的產(chǎn)品生產(chǎn)，打破國(guó)外在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。以此為背景，本文開展了對(duì)納米時(shí)柵傳感器深入細(xì)致的研究工作，主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　?。?）提出了將時(shí)柵測(cè)量原理與電場(chǎng)傳感方式相結(jié)合的納米時(shí)柵實(shí)現(xiàn)方案，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)納米時(shí)柵傳感器的測(cè)量原理進(jìn)行建模，分別建立了幾

4、何模型、電路模型、電場(chǎng)模型三種數(shù)學(xué)模型。從理論上解釋了被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，正弦穩(wěn)態(tài)的RC電路中復(fù)阻抗的影響，空間電勢(shì)分布和電容變化與傳感參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為納米時(shí)柵傳感器的傳感參數(shù)設(shè)計(jì)和誤差分析打下了理論基礎(chǔ)。
　?。?）從行波信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，建立了基于納米時(shí)柵測(cè)量原理的誤差理論，解釋了周期誤差與大量程誤差的產(chǎn)生原因以及兩者之間的聯(lián)系。首次建立了以復(fù)數(shù)運(yùn)算法則為基礎(chǔ)的誤差擬合模型，揭示了周期信號(hào)各諧波成分幅值、相位

5、、頻率的畸變量與誤差規(guī)律之間的內(nèi)在聯(lián)系，可實(shí)現(xiàn)誤差的精確量化。該模型對(duì)采用正切法的光柵或容柵傳感器同樣適用。
　?。?）對(duì)傳感結(jié)構(gòu)和傳感參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及誤差修正方法展開研究，提出了一種基于多層薄膜的引線結(jié)構(gòu)，可抑制串?dāng)_的影響；提出了一種實(shí)用新型的單列式傳感結(jié)構(gòu)和基于差動(dòng)感應(yīng)電極的共模抑制法，可極大的提高傳感器的信號(hào)穩(wěn)定性、安裝適應(yīng)能力和抗干擾能力；首次揭示了電容式傳感器具有面積積分濾波效應(yīng)、電場(chǎng)勻化效應(yīng)、多個(gè)感應(yīng)電極的平均效應(yīng)三

6、種勻化特性，可以極大的降低制造誤差對(duì)測(cè)量精度的影響；提出了縫寬比調(diào)制法和偏置移相法兩種空間諧波的抑制方法。最終形成了一套納米時(shí)柵傳感器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為高精度納米時(shí)柵傳感器的研制打下了基礎(chǔ)。
　?。?）搭建超精密實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并制作了若干不同材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的傳感器樣機(jī)。對(duì)傳感器的測(cè)量精度、線性度、周期重復(fù)性等多項(xiàng)性能進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了理論分析的正確性，最終研制出一款量程在200mm，測(cè)量精度能夠穩(wěn)定在±200nm的納米時(shí)柵傳感器樣機(jī)，并且具