CN103481321A - 纳米定位装置及系统 - Google Patents

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于海利
李晓天
唐玉国
齐向东
于宏柱
杨超
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Abstract

本发明涉及一种纳米定位装置及系统，属于光栅刻划机械自动控制领域，解决了现有技术中纳米定位装置的摆角调节幅值上限和调节精度受性能参数限制，纳米定位系统的数据采集控制模块开发难度大的技术问题。本发明的纳米定位装置包括基座，宏定位平台，第一导向导轨，第二导向导轨，微定位平台，压电陶瓷，第一激光干涉位移检测机构和第二激光干涉位移检测机构；所述压电陶瓷的一端固定于宏定位平台，另一端与微定位平台摩擦接触，宏定位平台沿第一导向导轨和第二导向导轨滑动，压电陶瓷驱动微定位平台产生位移量。本发明还提供应用上述纳米定位装置的纳米定位系统。本发明的纳米定位装置与系统具有较大的摆角调节幅值上限和调节灵活度。

Description

纳米定位装置及系统
技术领域
本发明涉及一种纳米定位装置及系统，属于光栅刻划机械自动控制领域。
背景技术
纳米定位技术广泛应用于超精加工、微电子工程、生物工程、纳米技术等各个领域。纳米定位系统用于光栅机械刻划过程中时，纳米定位系统的运动方向与光栅刻刀运动方向保持垂直。由于纳米定位系统存在摆角误差，导致光栅各刻线不平行，即存在光栅刻线摆角误差，从而直接导致光栅质量下降、光栅杂散光增大。
现有技术中纳米定位装置一般采用两个或多个压电陶瓷对双层工作台(双层工作台包括包括宏定位平台(也即工作台外台)和微定位平台(也即工作台内台))的摆角误差进行校正，但其摆角调节幅值上限和调节精度有时受到纳米定位装置具体性能参数(如刚度和质量等)的影响和制约，不能消除微定位平台与光栅刻刀的位置误差与角度误差，且角校正过程中需进行多压电陶瓷情况下的位置角度解耦运算，增加了纳米定位系统的数据采集控制模块开发难度，大幅度增加现有光栅刻划机改造的成本和周期。
发明内容
为解决现有技术中纳米定位装置的摆角调节幅值上限和调节精度受性能参数限制，纳米定位系统的数据采集控制模块开发难度，光栅刻划机改造的成本、周期高的技术问题，本发明提供一种纳米定位装置及系统。
本发明的纳米定位装置，包括：
基座；
宏定位平台；
对称设定于宏定位平台下表面左右两端的第一导向导轨和第二导向导轨；
设定于宏定位平台上表面的微定位平台；
压电陶瓷；
平行设置的第一激光干涉位移检测机构和第二激光干涉位移检测机构；
所述第一导向导轨，第二导向导轨，第一激光干涉位移检测机构和第二激光干涉位移检测机构均固定于基座上，所述宏定位平台与所述微定位平台通过弹簧片固定连接，所述压电陶瓷的一端固定于宏定位平台，另一端与微定位平台摩擦接触，所述宏定位平台能够沿第一导向导轨和第二导向导轨滑动，所述压电陶瓷驱动微定位平台产生位移量。
进一步的，所述宏定位平台与所述微定位平台之间还设有第一弹性连接机构和第二弹性连接机构，所述第一弹性连接机构和第二弹性连接机构平行设定于压电陶瓷的两边。
进一步的，所述第一弹性连接机构和第二弹性连接机构均为拉簧。
进一步的，所述第一激光干涉位移检测机构包括第一激光干涉仪和第一测量镜，所述第二激光干涉位移检测机构包括第二激光干涉仪和第二测量镜，第一激光干涉仪和第二激光干涉仪固定于基座上，第一测量镜和第二测量镜固定于微定位平台上。
进一步的，所述纳米定位装置还设有用于调整第一测量镜的第一二维调整架和用于调整第二测量镜的第二二维调整架。
进一步的，所述宏定位平台包括台体和设定于台体两边的第一夹持部和第二夹持部，所述第一夹持部和第二夹持部在第一平面呈倒U形，所述第一平面为垂直于台体所在平面且与第一导向导轨和第二导向导轨长度方向垂直，所述第一夹持部和第二夹持部在垂直于第一平面方向设有一导通槽。
进一步的，所述台体下侧有一凸起部，用以放置压电陶瓷。
进一步的，所述第一导向导轨和第二导向导轨的材料均为熔融石英玻璃。
本发明还提供应用上述纳米定位装置的纳米定位系统，包括：
宏驱动模块，用于驱动宏定位平台沿第一导向导轨和第二导向导轨运动；
数据采集控制模块，用于采集第一激光干涉位移检测机构和第二激光干涉位移检测机构所得数据并控制所述宏驱动模块和压电陶瓷；
所述宏驱动模块与所述宏定位平台连接，所述宏驱动模块、压电陶瓷，第一激光干涉位移检测机构和第二激光干涉位移检测机构均与所述数据采集控制模块连接。
进一步的，所述微定位平台采用BP神经网络实时调节PID参数来实现纳米定位。
本发明的有益效果：
(1)本发明的纳米定位装置采用一个压电陶瓷作为微定位驱动器，在进行光栅刻划时，压电陶瓷根据光栅刻刀的位置实时调节微定位平台，消除微定位平台与光栅刻刀的位置误差与角度误差，角校正过程中无需进行多压电陶瓷情况下的位置角度解耦运算，并且具有较大的摆角调节幅值上限和调节灵活度，相比采用两个或多个压电陶瓷的纳米定位装置，该纳米定位装置可有效降低现有光栅刻划机改造的成本和周期；而且装置采用BP神经网络实时调节PID控制参数(即BP-PID)算法对微定位平台进行实时调节，降低了系统非线性对微定位平台纳米定位精度的影响；
(2)本发明的纳米定位系统用宏定位平台实现系统大行程、高速、高加速度微米级精度定位，当进入微定位平台工作行程时启动压电陶瓷，以高频动态补偿系统的定位误差，实现纳米级的分辨率和定位精度，且由于纳米定位装置角校正过程中无需进行多压电陶瓷情况下的位置角度解耦运算，大大降低了数据采集控制模块开发难度。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的纳米定位装置结构示意图；
图2为本发明具体实施方式的纳米定位装置俯视图；
图3为本发明具体实施方式的纳米定位装置宏定位平台俯视图；
图4为本发明具体实施方式的纳米定位装置宏定位平台主视图；
图5为本发明具体实施方式的纳米定位装置的工作原理参考图；
图6为本发明具体实施方式中任意时刻ts的金刚石刻刀位移示意图；
图7为本发明具体实施方式的纳米定位系统结构框图；
图8为本发明具体实施方式的纳米定位系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本实施方式的纳米定位装置包括基座100，宏定位平台10，第一导向导轨41，第二导向导轨42，微定位平台20，压电陶瓷30，第一激光干涉位移检测机构71和第二激光干涉位移检测机构72，其中，第一导向导轨41和第二导向导轨42的材料可以为熔融石英玻璃；
光栅毛坯200位于微定位平台20上，纳米定位装置的运动方向与光栅刻刀运动方向保持垂直；
第一导向导轨41和第二导向导轨42分别位于宏定位平台10下表面左右两端，第一导向导轨41和第二导向导轨42固定于基座100上，宏定位平台10可在第一导向导轨41和第二导向导轨42上滑动，亦即宏定位平台10可沿第一导向导轨41和第二导向导轨42移动；
宏定位平台10和微定位平台20通过弹簧片固定连接，弹簧片的数量不限，可以根据需要进行选择，在本实施方式中弹簧片的个数为四，分别为第一弹簧片51、第二弹簧片52、第三弹簧片53和第四弹簧片54，对称设置于宏定位平台10上下边缘的左右两边；本实施方式中的弹簧片可增加宏定位平台10和微定位平台20的连接刚度，确保在压电陶瓷30伸缩过程中宏定位平台10和微定位平台20之间沿光栅刻线方向无相对旋转，使得纳米定位装置具有较好的频域动态响应特性和抗干扰能力；
压电陶瓷30的一端固定于宏定位平台10，另一端与微定位平台20摩擦接触，通过压电陶瓷30的伸缩来控制微定位平台20运动，压电陶瓷30可驱动微定位平台20产生位移量。
进一步地，如图3和图4所示，宏定位平台10包括台体101，分别设定于台体101两边的第一夹持部102和第二夹持部103，第一夹持部102和第二夹持部103在第一平面呈倒“U”形，第一平面为垂直于台体101所在平面，且第一平面与第一导向导轨41和第二导向导轨42的长度方向垂直，第一夹持部102和第二夹持部103在垂直于第一平面方向设有一导通槽；上述第一导向导轨41设定于第一夹持部102，第二导向导轨42设定于第二夹持部103，上述导通槽设置便于第一夹持部102更好的夹持第一导向导轨41，第二夹持部103更好的夹持第二导向导轨42，使宏定位平台10与第一导向导轨41、第二导向导轨42的接触更具弹性。
进一步地，台体101下侧有一凸起部1011，用以放置压电陶瓷30；微定位平台20设定于台体101上，为了进一步增加宏定位平台10与微定位平台20的连接刚度，微定位平台20形状与台体101形状相配套，微定位平台20下侧亦有一凸起部；压电陶瓷30与微定位平台20凸起部摩擦接触。
进一步地，宏定位平台10与微定位平台20之间还设有第一弹性连接机构61和第二弹性连接机构62，对称设定于压电陶瓷30的两边，与压电陶瓷30平行，实现压电陶瓷30与微定位平台20时刻紧密接触；在本实施方式中，第一弹性连接机构61和第二弹性连接机构62均为拉簧。
进一步地，第一激光干涉位移检测机构71包括第一激光干涉仪711和第一测量镜712，第二激光干涉位移检测机构72与第一激光干涉位移检测机构71具有相同的结构，包括第二激光干涉仪721和第二测量镜722；第一激光干涉仪711和第二激光干涉仪721固定于基座100上，第一测量镜712和第二测量镜722固定于微定位平台20，实现定位误差测量；本实施方式中，第一测量镜712和第二测量镜722均为反射镜。
进一步地，第一测量镜712前还设有第一二维调整架81，用于调整第一测量镜712的方向，增加第一激光干涉位移检测机构71检测准确性；第二测量镜722前还设有第二二维调整架82，增加第二激光干涉位移检测机构72检测准确性。
本实施方式的纳米定位装置，无需对两个或多个压电陶瓷的位移进行解耦运算，并且具有较大的摆角调节幅值上限，相比采用两个或多个压电陶瓷的纳米定位装置，该纳米定位装置可有效降低现有光栅刻划机改造的成本和周期。
结合图5和图6对本实施方式压电陶瓷30修正方法的工作原理进行阐述：
本实施方式在每条光栅刻线的刻划过程中，仅使用一个压电陶瓷30来不断调整微定位平台20，使金刚石刻刀位置处的工作台理想位置D′和实际位置D之间位置误差
Figure BDA00003742546400061
的幅值趋于零；图5中，粗实线n=k代表金刚石刻刀的运动轨迹，细实线代表不同时刻(t=t0，t1，t2，t3等)理想刻线PQ的位置(Pt0Qt0，Pt1Qt1，Pt2Qt2，Pt3Qt3等)，实心点分别代表不同时刻的金刚石刻刀位置(Dt0，Dt1，Dt2，Dt3等)；
本实施方式采用BP神经网络实时调节PID控制参数(即BP-PID)算法对微定位平台20进行实时调节，使任意时刻的理想刻线位置和金刚石刻刀的运动轨迹的交点恰好位于金刚石刻刀位置处，如在t=t0时刻使该时刻的理想刻线位置Pt0Qt0和金刚石刻刀的运动轨迹n=k相交于点Dt0(即t=t0时刻的金刚石刻刀位置)，在t=t1时刻使该时刻的理想刻线位置Pt1Qt1和金刚石刻刀的运动轨迹n=k相交于点Dt1，等等。因此，在每条刻线的刻划过程中，使金刚石刻刀时刻位于光栅理想刻线位置上。
本实施方式提供的单压电陶瓷式摆角修正方法虽然仍工作于光栅刻划机间歇式刻划状态下，但实际上已经兼有连续式刻划的特点，因为在金刚石刻刀进行刻划操作过程中，工作台也在不停的做相应的补偿运动，符合连续式刻划的特征，即金刚石刻刀与工作台同时运动，二者各自运动轨迹的合成轨迹为一条直线且位于光栅刻线理想位置上。
对于光栅刻划机而言，微定位平台测量系统采用双频激光干涉仪(也即上述的两个激光干涉位移检测机构)实现，如图1所示，其中第一测量镜712和第二测量镜722固定在微定位平台20上，设双频激光干涉仪测量光路轴心线与金刚石刻刀落刀处的垂直距离为dL，且第k条理想刻线和金刚石刻刀运动轨迹的夹角为
Figure BDA00003742546400062
(设图5中所示的方向为
Figure BDA00003742546400063
的正方向)；如图6所示，定义在任意时刻ts的金刚石刻刀当前位置与落刀处(对应t=0时刻)的距离为金刚石刻刀位移s，定义光栅刻线长度为Lg，则有0≤s≤Lg；为了实现第n=k条刻线的摆角修正，在该条刻线的刻划过程中，微定位平台的位移主动补偿量E(s)与金刚石刻刀位移s之间的关系式可近似表达为：
Figure BDA00003742546400064
因此，通过该式计算出微定位平台的位移主动补偿量E(s)，从而实现光栅刻划摆角误差校正功能。
本实施方式通过采用BP神经网络实时调节PID参数来实现纳米定位，降低了系统非线性对微定位平台纳米定位精度的影响。
如图7所示，本发明的纳米定位系统包括上述纳米定位装置300，宏驱动模块400和数据采集控制模块500；
宏驱动模块400用于驱动宏定位平台10沿第一导向导轨41和第二导向导轨42运动；
数据采集控制模块500用于采集第一激光干涉位移检测机构71和第二激光干涉位移检测机构72所得数据并控制宏驱动模块400和压电陶瓷30；
宏驱动模块400与宏定位平台10连接，宏驱动模块400、压电陶瓷30，第一激光干涉位移检测机构71和第二激光干涉位移检测机构72均与数据采集控制模块500连接。
图8为本实施方式的纳米定位系统的工作流程图，包括如下步骤：
步骤S101，宏定位：
数据采集控制模块500向宏驱动模块400发送指令，宏驱动模块400驱动宏定位平台10沿第一导向导轨41和第二导向导轨42移动，进行宏定位；
步骤S102，测量计算：
第一激光干涉位移检测机构71、第二激光干涉位移检测机构72分别测量微定位平台20在步骤S101中的位移，分别为d1和d2，数据采集控制模块500根据第一激光干涉位移检测机构71和第二激光干涉位移检测机构72之间的空间位置以及d1、d2计算出光栅刻线理想位置与实际位置之间的偏差量f；
步骤S103，微定位：
数据采集控制模块500设定微定位平台20的位移量为f，并控制压电陶瓷30驱动微定位平台20进行高精度定位，即对光栅刻线摆角误差进行校正。
本实施方式的纳米定位系统用宏定位平台10实现系统大行程、高速、高加速度微米级精度定位，当进入微定位平台20工作行程时启动压电陶瓷30，以高频动态补偿系统的定位误差，实现纳米级的分辨率和定位精度。其中，采用BP神经网络实时调节PID控制参数(即BP-PID)算法对微定位平台进行实时调节，其具体工作原理在纳米定位装置中已进行详细描述。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.纳米定位装置，包括：
基座(100)；
宏定位平台(10)；
对称设定于宏定位平台(10)下表面左右两端的第一导向导轨(41)和第二导向导轨(42)；
设定于宏定位平台(10)上表面的微定位平台(20)；
压电陶瓷(30)；
平行设置的第一激光干涉位移检测机构(71)和第二激光干涉位移检测机构(72)；
所述第一导向导轨(41)，第二导向导轨(42)，第一激光干涉位移检测机构(71)和第二激光干涉位移检测机构(72)均固定于所述基座(100)上，所述宏定位平台(10)与所述微定位平台(20)通过弹簧片固定连接，所述压电陶瓷(30)的一端固定于宏定位平台(20)，另一端与微定位平台(20)摩擦接触，所述宏定位平台(10)沿所述第一导向导轨(41)和第二导向导轨(42)滑动，所述压电陶瓷(30)驱动微定位平台(20)产生位移量。
2.根据权利要求1所述的纳米定位装置，其特征在于，所述宏定位平台(10)与微定位平台(20)之间还设有第一弹性连接机构(61)和第二弹性连接机构(62)，所述第一弹性连接机构(61)和第二弹性连接机构(62)平行设定于压电陶瓷(30)的两边。
3.根据权利要求2所述的纳米定位装置，其特征在于，所述第一弹性连接机构(61)和第二弹性连接机构(62)均为拉簧。
4.根据权利要求1所述的纳米定位装置，其特征在于，所述第一激光干涉位移检测机构(71)包括第一激光干涉仪(711)和第一测量镜(712)，所述第二激光干涉位移检测机构(72)包括第二激光干涉仪(721)和第二测量镜(722)，第一激光干涉仪(711)和第二激光干涉仪(721)固定于基座(100)上，第一测量镜(712)和第二测量镜(722)固定于所述微定位平台(20)上。
5.根据权利要求4所述的纳米定位装置，其特征在于，该装置还包括用于调整第一测量镜(712)的第一二维调整架(81)和用于调整第二测量镜(722)的第二二维调整架(82)。
6.根据权利要求1所述的纳米定位装置，其特征在于，所述宏定位平台(10)包括台体(101)和设定于台体(101)两边的第一夹持部(102)和第二夹持部(103)，所述第一夹持部(102)和第二夹持部(103)在第一平面呈倒U形，所述第一平面为垂直于台体(101)所在平面且与所述第一导向导轨(41)和第二导向导轨(42)长度方向垂直，所述第一夹持部(102)和第二夹持部(103)在垂直于第一平面方向设有一导通槽。
7.根据权利要求6所述的纳米定位装置，其特征在于，所述台体(101)下侧有一凸起部(1011)，用以放置压电陶瓷(30)。
8.根据权利要求1所述的纳米定位装置，其特征在于，所述第一导向导轨(41)和第二导向导轨(42)的材料均为熔融石英玻璃。
9.应用权利要求1-8所述的纳米定位装置的纳米定位系统，其特征在于，包括：
宏驱动模块，用于驱动所述宏定位平台(10)沿第一导向导轨(41)和第二导向导轨(42)运动；
数据采集控制模块，用于采集第一激光干涉位移检测机构(71)和第二激光干涉位移检测机构(72)所得数据并控制所述宏驱动模块和压电陶瓷(30)；
所述宏驱动模块与所述宏定位平台(10)连接，所述宏驱动模块、压电陶瓷(30)、第一激光干涉位移检测机构(71)和第二激光干涉位移检测机构(72)均与所述数据采集控制模块连接。
10.根据权利要求9所述的纳米定位系统，其特征在于，所述微定位平台(20)采用BP神经网络实时调节PID参数来实现纳米定位。
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