CN102680743A - 微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，包括：固定机架、宏动平台、微动平台、微力检测装置、加工槽、视觉系统和控制系统，宏动平台连接至固定机架，微动平台与宏动平台连接，微力检测装置与微动平台连接，检测模板和基底之间的接触力；加工槽设置在固定机架底部框架上，基底设置在加工槽内，模板与微动平台连接；视觉系统设置在加工槽侧面，实时检测模板和基底之间的距离，控制系统分别与宏动平台、微动平台、微力检测装置和视觉系统连接，根据视觉系统和微力检测装置检测到的模板与基底之间间距及接触力控制宏动平台和微动平台运动。本发明具有加工精度高、自动化程度高且适用范围广泛的优点。

Description

微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置及方法

技术领域

本发明涉及的微纳制造仪器装备领域，具体涉及一种基于视觉与力觉引导的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测方法。

背景技术

随着科学技术的快速发展，各种微纳加工技术得到发展和应用。在各种基于模板和基底的微纳加工过程当中，设置精确的初始加工原位是保证稳定高效批量加工的必要条件。如在电化学微纳加工过程中，为了保证加工精度，在加工之前，首先需要确定加工工具或模板和基底两个电极之间的相对位置，并控制模板运动使其达到所需的初始加工间距。因此，在加工之前必须实现准确的逼近和零点位置检测。在纳米压痕和原子力显微镜纳米加工等加工过程中，同样需要使工具和样品之间的接触和间距达到纳米级的精度。

经过对现有技术文献的检索发现，在微细电解加工中根据电极接触前后的电压突变来确定电极间距的零点位置，从而精确设置初始加工原位。但逼近过程只是使用了步进电机，从而限制了零点位置的精度。并且进给速度过快容易造成零位超前，造成电极损伤，而且该类方法只适合导电材料。在原子力显微镜探针逼近系统中，根据检测微悬臂的偏转量作为判断接触的标准，但是该类系统没有配套的快速逼近装置，因此逼近过程速度较慢。

综上所述，现有技术中基于模板和基底的微纳加工工艺存在零点定位精度低、易造成零位超前导致模板损伤，适用范围窄，或加工速度慢的技术问题。因此，本发明提供一种能够实现高精度快速加工且适用范围广泛的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置及方法。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种能够实现高精度快速加工且适用范围广泛的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置。

本发明的另一目的在于提供一种能够实现高精度快速加工且适用范围广泛的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测方法。

为达到上述目的，本发明提供一种微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，用以实现模板的高精度快速定位和模板-基底间隙高精度的控制，包括：固定机架、宏动平台、微动平台、微力检测装置、加工槽、视觉系统和控制系统，宏动平台连接至固定机架，微动平台与宏动平台连接，微力检测装置与微动平台连接，用以检测模板和基底之间的接触力；加工槽设置在固定机架底部框架上，基底设置在加工槽内，模板与微动平台连接；视觉系统设置在加工槽侧面，用以实时检测模板和基底之间的距离，控制系统分别与宏动平台、微动平台、微力检测装置和视觉系统连接，用以根据视觉系统和微力检测装置检测到的模板与基底之间间距及接触力控制宏动平台和微动平台运动。

依照本发明较佳实施例所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，该控制系统包括：

数据采集模块：数据采集模块分别与微力检测装置、视觉系统和处理器连接，用以接收微力检测装置和视觉系统检测到的接触力和间距数据，并将检测到的接触力和间距数据发送至处理器；

存储模块：用以预先存储待测模板和基底之间的间距上限值及下限值以及接触力阈值；

处理器：分别与数据采集模块和存储模块连接，用以将接收到的接触力和间距数据与预先存储的间距上限值及下限值和接触力阈值进行比较，并根据比较结果发送控制信号至输出模块，控制宏动平台和微动平台运动；以及，

输出模块：分别与处理器和宏动平台以及微动平台连接，用以将接收到的控制信号发送至宏动平台或微动平台。

依照本发明较佳实施例所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，该模板和基底之间的间距上限值为200μm，下限值为50μm，当视觉检测系统检测到间距小于200μm后，宏动平台降速运动，当检测到间距小于50μm后，宏动台停止运动。

依照本发明较佳实施例所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，该微力检测装置包括：双平行四杆弹性平台、高精度电容式位移传感器、固定座，固定座与微动平台连接，双平行四杆弹性平台与固定座连接，高精度电容式位移传感器与双平行四杆弹性平台连接。

依照本发明较佳实施例所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，该视觉系统包括分别设置在加工槽两侧的CCD摄像机和LED光源，且CCD摄像机和LED光源均与控制系统连接。

依照本发明较佳实施例所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，该宏动平台包括：带谐波减速器的步进电机，定位型高精度磨制级滚珠丝杠和交叉滚子直线导轨，交叉滚子直线导轨设置在固定机架框架上，定位型高精度磨制级滚珠丝杠与宏动平台的运动平台相连设置在交叉滚子直线导轨上并与带谐波减速器的步进电机连接。

依照本发明较佳实施例所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，该微动平台包括：压电陶瓷驱动器、单自由度复合双平行四杆柔性铰链和高精度电容传感器，单自由度复合双平行四杆柔性铰链机构与宏动平台连接，高精度电容传感器与单自由度复合双平行四杆柔性铰链机构连接，压电陶瓷驱动器与单自由度复合双平行四杆柔性铰链机构连接。

为达到上述目的，本发明还提供一种微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测方法，包括以下步骤：

步骤一，宏动平台快速逼近：在模板远离基底处，控制系统启动宏动平台带动模板高速进给，同时启动视觉系统实时检测高速进给过程中模板与基底的间距，当检测到间距小于上限值后，宏动平台降速运动，当检测到间距小于下限值后，宏动平台停止运动，快速逼近过程结束；

步骤二，宏微动平台切换逐次逼近：宏动平台停止运动后，控制系统启动微动平台匀速进给，并且启动微力感应装置检测接触力的变形量是否超过设定的阈值，若连续运动一段距离的整个过程中均未检测到超出阈值，则微动平台缩回，同时宏动平台下降，之后微动平台继续向下进给，宏微动平台反复切换，直至模板与基底的接触力达到阈值；

步骤三，为确定系统原点位置，达到接触力阈值后，微动平台上提直至检测到微力感应装置变形量恢复到零，用于释放微力感应装置的接触变形，当检测到变形量恢复到零后，确定当前位置作为加工零位。

依照本发明较佳实施例所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测方法，步骤一中，间距上限值为200μm，下限值为50μm，当检测到间距小于200μm后，宏动平台速度降为原先的1/5继续进行逼近。

依照本发明较佳实施例所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测方法，步骤二具体为：

微动平台以1nm/ms的速度匀速进给，并且微力感应装置检测每隔1ms检测一次接触力的变形量是否超过设定的阈值，若连续运动6μm的整个过程中均未检测到超出阈值，则微动平台缩回6μm，同时宏动平台下降5μm，之后微动平台继续向下进给6μm，宏微动平台如此反复切换，直至模板与基底的接触力达到阈值。

本发明依靠机器视觉检测系统实现模板的宏动快速逼近，并依靠高精度电容传感器和柔性机构的高灵敏度微力检测系统实现宏微动切换逐次逼近。通过基于视觉与力觉引导实现了加工模板全自动快速逼近基底，加工精度高、自动化程度高。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)、本发明采用机器视觉系统作为模板基底间距较大时的快速逼近过程中的位置反馈，减少了整个逼近过程所需要的时间，提高了整个系统的自动化程度。

(2)、本发明采用高精度电容位移传感器和弹性机构作为检测微力装置，相比于传统力传感器，提高了灵敏度和分辨率，使逼近过程具有更高的精度，达到纳米级。

(3)、本发明采用宏微切换逐次逼近，使模板和基底接触只发生在微动平台的慢速进给过程中，避免了原位超前，原点位置更加准确，且不会造成模板损伤，适用范围广泛。

附图说明

图1为本发明微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置的结构示意图；

图2为本发明微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测方法的流程框图；

图3为本发明实施例的模板位置在逼近过程中的高度变化示意图；

图4为本发明实施例的微力检测装置的结构示意图；

图5为本发明实施例的视觉检测系统在逼近过程中采集到的对应各间距的图像。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。

请参阅图1，一种微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，用以模板5的高精度快速定位和模板5-基底7间隙高精度的控制，包括：固定机架1、宏动平台2、微动平台3、微力检测装置4、加工槽6、视觉系统和控制系统13。宏动平台2连接至固定机架1，微动平台3与宏动平台2连接，微力检测装置4与微动平台3连接，用以检测模板5和基底7之间的接触力；加工槽6设置在固定机架1底部框架上，基底7设置在加工槽6内，模板5与微动平台3连接；视觉系统设置在加工槽6侧面，用以实时检测待测模板5和基底7之间的距离，其包括分别设置在加工槽6两侧的CCD摄像机8和LED光源9，CCD摄像机8和LED光源9均与控制系统13连接。控制系统13分别与宏动平台2、微动平台3、微力检测装置4和视觉系统连接，用以根据视觉系统和微力检测装置4检测到的模板5与基底7之间的间距及接触力控制宏动平台2和微动平台3运动。

进一步地，宏动平台包括带谐波减速器的步进电机，定位型高精度磨制级滚珠丝杠和交叉滚子直线导轨，交叉滚子直线导轨设置在固定机架框架上，定位型高精度磨制级滚珠丝杠与宏动平台的运动平台相连设置在交叉滚子直线导轨上并与带谐波减速器的步进电机连接。压电陶瓷驱动器、单自由度复合双平行四杆柔性铰链和高精度电容传感器，单自由度复合双平行四杆柔性铰链机构与宏动平台连接，高精度电容传感器与单自由度复合双平行四杆柔性铰链机构连接，压电陶瓷驱动器与单自由度复合双平行四杆柔性铰链机构连接。

如图4所示，微力检测装置包括：双平行四杆弹性平台10、高精度电容式位移传感器11和固定座12，固定座与微动平台连接，双平行四杆弹性平台与固定座连接，高精度电容式位移传感器与双平行四杆弹性平台连接。模板5和基底7的接触力垂直向上作用于弹性平台10上，使分布于弹性平台四周的柔性梁产生弹性变形，固定在弹性平台上的高精度电容传感器11检测弹性平台10受力后的微位移，根据弹性平台柔性梁的整体刚度，即可换算出相应的接触力。

视觉检测系统由安装在模板5和基底7侧面，用于观测两者间距的CCD摄像机8和LED光源9以及相应的图像处理软件模块组成。选用了能够在较大光学放大的同时保持较大景深的远心镜头，配合CCD工业相机以达到像素的高分辨，同时也能够满足工作距离和景深的要求。选用LED光源9作为辅助光源，以提高CCD拍摄到的图像质量，保证检测系统的精度和稳定性。图像处理软件模块主要采用了基于边缘提取的轮廓检测算法和直线最小间距算法粗略估计模板5与基底7之间的距离。

控制系统13包括：数据采集模块、存储模块、处理器和输出模块。其中，数据采集模块分别与微力检测装置4、视觉系统和处理器连接，用以接收微力检测装置4和视觉系统检测到的接触力和间距数据，并将检测到的接触力和间距数据发送至处理器。存储模块用以预先存储待测模板5和基底7之间的间距上限值及下限值以及接触力阈值。处理器分别与数据采集模块和存储模块连接，用以将接收到的接触力和间距数据与预先存储的间距上限值及下限值和接触力阈值进行比较，并根据比较结果发送控制信号至输出模块，控制宏动平台2和微动平台3运动。输出模块分别与处理器和宏动平台2以及微动平台3连接，用以将接收到的控制信号发送至宏动平台2或微动平台3。

更为具体地，待测模板和基底之间的间距上限值为200μm，下限值为50μm，当检测到间距小于200μm后，宏动平台降速运动，当检测到间距小于50μm后，宏动台停止运动。

如图2所示，本发明还提供一种微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测方法，包括以下步骤：

步骤一，宏动平台快速逼近：在模板远离基底处，控制系统启动宏动平台带动模板高速进给，同时启动视觉系统实时检测高速进给过程中模板与基底的间距，当检测到间距小于上限值后，宏动平台降速运动，当检测到间距小于下限值后，宏动平台停止运动，快速逼近过程结束。

在模板5远离基底7处，启动宏动快速逼近模式，宏动平台2带动模板5高速向下运动，逼近基底7，同时机器视觉系统实时检测高速逼近过程中模板5与基底7之间的距离，当检测到间距小于200μm后，宏动平台2速度降为原先的1/5继续进行慢速逼近，当检测到间距小于50μm后，宏动平台2停止，快速逼近过程结束。

步骤二，宏微动平台切换逐次逼近：宏动平台停止运动后，控制系统启动微动平台匀速进给，并且启动微力感应装置检测接触力的变形量是否超过设定的阈值，若连续运动一段距离的整个过程中均未检测到超出阈值，则微动平台缩回，同时宏动平台下降，之后微动平台继续向下进给，宏微动平台反复切换，直至模板与基底的接触力达到阈值。

宏动平台停止运动后，系统进入宏微动切换逐次逼近过程，此时微动平台3以1nm/ms的速度带动模板5逼近基底7，同时由微力检测装置4实时检测模板5和基底7之间的接触力是否超过设定的接触力阈值，若在微动平台3向下运动6μm的整个过程中均未检测到超出阈值，则微动平台3往上缩回6μm，同时宏动平台2下降5μm，之后微动平台3继续按之前速率向下进给6μm。宏微动如此反复切换，直至模板5与基底7的接触力达到阈值。此过程中，宏动平台2和微动平台3的指令值以及模板5在逼近过程中的高度值和微力感应装置4检测到的接触力值如图3所示。

步骤三，为确定系统原点位置，达到接触力阈值后，微动平台上提直至检测到微力感应装置变形量恢复到零，用于释放微力感应装置的接触变形，当检测到变形量恢复到零后，确定当前位置作为加工零位。

如图5所示，以微力感应装置4中的弹性元件变形量阈值为30nm（对应于接触力为4.68g）进行了逼近实验，可见模板顺利快速到达基底表面，并在接触后，提升一定高度确定了加工零位。

以上所述，仅是本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，用以模板的高精度快速定位和模板-基底间隙高精度的控制，其特征在于，包括：固定机架、宏动平台、微动平台、微力检测装置、加工槽、视觉系统和控制系统，所述宏动平台连接至所述固定机架，所述微动平台与所述宏动平台连接，所述微力检测装置与所述微动平台连接，用以检测模板和基底之间的接触力；所述加工槽设置在所述固定机架底部框架上，基底设置在加工槽内，模板与所述微动平台连接；所述视觉系统设置在所述加工槽侧面，用以实时检测模板和基底之间的距离，所述控制系统分别与所述宏动平台、微动平台、微力检测装置和视觉系统连接，用以根据所述视觉系统和微力检测装置检测到的模板与基底之间间距及接触力控制所述宏动平台和微动平台运动。

2.如权利要求1所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，其特征在于，所述控制系统包括：

数据采集模块：所述数据采集模块分别与所述微力检测装置、视觉系统和处理器连接，用以接收所述微力检测装置和视觉系统检测到的接触力和间距数据，并将检测到的接触力和间距数据发送至处理器；

存储模块：用以预先存储待测模板和基底之间的间距上限值及下限值以及接触力阈值；

处理器：分别与所述数据采集模块和存储模块连接，用以将接收到的接触力和间距数据与预先存储的间距上限值及下限值和接触力阈值进行比较，并根据比较结果发送控制信号至输出模块，控制所述宏动平台和微动平台运动；以及，

输出模块：分别与所述处理器和宏动平台以及微动平台连接，用以将接收到的控制信号发送至所述宏动平台或微动平台。

3.如权利要求2所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，其特征在于，所述待测模板和基底之间的间距上限值为200μm，下限值为50μm，当检测到间距小于200μm后，宏动平台降速运动，当检测到间距小于50μm后，宏动台停止运动。

4.如权利要求1所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，其特征在于，所述微力检测装置包括：双平行四杆弹性平台、高精度电容式位移传感器、固定座，所述固定座与所述微动平台连接，所述双平行四杆弹性平台与所述固定座连接，所述高精度电容式位移传感器与所述双平行四杆弹性平台连接。

5.如权利要求1所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，其特征在于，所述视觉系统包括分别设置在所述加工槽两侧的CCD摄像机和LED光源，且所述CCD摄像机和LED光源均与所述控制系统连接。

6.如权利要求1所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，其特征在于，所述的宏动平台包括：带谐波减速器的步进电机，定位型高精度磨制级滚珠丝杠和交叉滚子直线导轨，所述交叉滚子直线导轨设置在所述固定机架框架上，所述定位型高精度磨制级滚珠丝杠与所述宏动平台的运动平台相连设置在所述交叉滚子直线导轨上并与所述带谐波减速器的步进电机连接。

7.如权利要求1所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测装置，其特征在于，所述的微动平台包括：压电陶瓷驱动器、单自由度复合双平行四杆柔性铰链和高精度电容传感器，所述单自由度复合双平行四杆柔性铰链机构与所述宏动平台连接，所述高精度电容传感器与所述单自由度复合双平行四杆柔性铰链机构连接，所述压电陶瓷驱动器与所述单自由度复合双平行四杆柔性铰链机构连接。

8.一种微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，宏动平台快速逼近：在模板远离基底处，控制系统启动宏动平台带动模板高速进给，同时启动视觉系统实时检测高速进给过程中模板与基底的间距，当检测到间距小于上限值后，宏动平台降速运动，当检测到间距小于下限值后，宏动平台停止运动，快速逼近过程结束；

步骤二，宏微动平台切换逐次逼近：宏动平台停止运动后，控制系统启动微动平台匀速进给，并且启动微力感应装置检测接触力的变形量是否超过设定的阈值，若连续运动一段距离的整个过程中均未检测到超出阈值，则微动平台缩回，同时宏动平台下降，之后微动平台继续向下进给，宏微动平台反复切换，直至模板与基底的接触力达到阈值；

步骤三，为确定系统原点位置，达到接触力阈值后，微动平台上提直至检测到微力感应装置变形量恢复到零，用于释放微力感应装置的接触变形，当检测到变形量恢复到零后，确定当前位置作为加工零位。

9.如权利要求8所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测方法，其特征在于，步骤一中，所述间距上限值为200μm，下限值为50μm，当检测到间距小于200μm后，宏动平台速度降为原先的1/5继续进行逼近。

10.如权利要求8所述的微纳仪器装备中模板快速逼近和原位检测方法，其特征在于，步骤二具体为：

微动平台以1nm/ms的速度匀速进给，并且微力感应装置检测每隔1ms检测一次接触力的变形量是否超过设定的阈值，若连续运动6μm的整个过程中均未检测到超出阈值，则微动平台缩回6μm，同时宏动平台下降5μm，之后微动平台继续向下进给6μm，宏微动平台如此反复切换，直至模板与基底的接触力达到阈值。

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