CN211668441U - 基于二维光栅的多自由度位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型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。本实用新型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。

Description

基于二维光栅的多自由度位移测量系统

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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NXT 1950i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。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提出了基于二维光栅的多自由度位移测量系统。

本实用新型的主要内容包括：

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，本实用新型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为本实用新型一个实施例的整体结构示意图；

图2为本实用新型的读数模块的示意图；

图3为本实用新型读数壳体的结构示意图；

图4为本实用新型信息处理单元的数据处理示意图；

图5为本实用新型旋转量计算示意图；

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

以下结合附图对本实用新型所保护的技术方案做具体说明。

请参阅图1至图7。本实用新型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。

本实用新型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31；请结合图2，所述X向位移传感器单元包括两组第一位移传感器(11,12)，两组所述第一位移传感器(11,12)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(21,22)，两组所述第二位移传感器(21,22)沿第二方向排列；其中，所述第一方向和所述第二方向相互垂直，在本实施例中，所述第一方向可以为Y方向，而所述第二方向为X方向，更进一步地，所述距离传感器31位于所述X向位移传感器单元和所述Y向位移传感器单元的物理中心M，即所述距离传感器31设置在两组第一位移传感器(11,12)的连线以及两组第二位移传感器(21,22)的连线的相交处，也即两组所述第一位移传感器(11，12)与所述距离传感器31之间的距离相同，且两组所述第二位移传感器(21,22)与所述距离传感器31之间的距离相同。

两组所述第一位移传感器与所述距离传感器之间的距离记为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记为d2；在其中一个实施例中，d1等于d2，即所述第一位移传感器与所述距离传感器之间的距离与所述第二传感器与所述距离传感器之间的距离相同，所述第一位移传感器和所述第二位移传感器分别位于一正方形的对角上，而所述距离传感器位于该正方形的中心；在其他实施例中，所述第一位移传感器与所述距离传感器之间的距离与所述第二传感器与所述距离传感器之间的距离也可以不同，即d1也可以不等于d2。

在其中一个实施例中，请参照图1和图3，所述读数模块包括读数壳体，所述读数壳体由上壳体71和下壳体72围成，所述上壳体71和下壳体72通过设置在对角的固定螺丝73实现固定，而所述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31均设置在所述读数壳体的下表面，所述读数模块01通过所述读数壳体固定安装在运动部件或固定部件上，如在读数壳体的另外两个对角上开设固定螺纹孔74，以将所述读数模块与活动部件或者运动部件固定。

在本实施例中，请参照图1和图2，所述读数模块01还包括信息处理单元02，其中，所述信息处理单元02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，具体地，在其中一个实施例中，所述信息处理单元02可以设置在读数壳体内，也可以与所述X向传感器单元、Y向传感器单元和距离传感器分开布设而设置在单独的壳体内，此时两者通过电缆06实现连接和数据传输，从而有利于读数模块的小型化。

具体地，所述信息处理单元02包括传感器细分模组41、X向位移精度补偿模组51、Y向位移精度补偿模组52、旋转角度计算模组53以及数据接口模组54；其中，请结合图4，所述传感器细分模组41能够根据精度需要，将各个传感器传输的1Vpp测量信号，转换为经过细分后的TTL信号，即两组第一位移传感器(11,12)、两组所述第二位移传感器(21,22)以及所述距离传感器31与所述传感器细分模组41连接，所述传感器细分模组41将传输来的信号1Vpp分别转换为对应的数字脉冲信号TTL；随后将对应的数字脉冲信号TTL分别传送至所述X向精度补偿模组51和所述Y向精度补偿模组52，即所述传感器细分模组41与所述X向精度补偿模组51、所述Y向精度补偿模组52连接，同时，经所述距离传感器31传输来的信号经处理后，通过数据接口模组54直接输出为Z向位移数据；此外，所述距离传感器31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。

而由所述传感器细分模组41输出的第一位移传感器对应的数字脉冲信号TTL输入至所述X向精度补偿模组51，同样地，由所述传感器细分模组输出的所述第二位移传感器对应的数字脉冲信号TTL输出至所述Y向精度补偿模组；随后，所述X向精度补偿模组51和所述Y向精度补偿模组52输出标准的数字脉冲信号后经所述数据接口模组54分别输出X向位移数据和Y向位移数据。

同时，所述传感器细分模组41与所述旋转角度计算模组53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块53，即所述第一位移传感器和所述第二位移传感器的1Vpp信号经所述传感器细分模组处理为对应的数字脉冲信号TTL后，共同输入至所述旋转角度计算模组53，所述旋转角度计算模组53经旋转角度计算后，将数据经所述数据接口模组54输出，得到旋转角度数据。

在其中一个实施例中，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；其中，所述传感器细分模组41既可以使用现有的细分芯片，也可以通过在FPGA中内建细分算法来实现。

所述二维光栅作为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。具体地，所述二维光栅包括光栅片03，所述光栅片03包括光栅基片81以及设置在所述光栅基片上的反射膜层82，其中，所述光栅基片81的材质为玻璃、不锈钢、铜、铝合金等金属材质或者零膨胀材料，如所述光栅基片81可以是普通钠钙玻璃、光学玻璃和石英玻璃，而零膨胀材料包括零膨胀金属材料、零膨胀微晶玻璃或者零膨胀陶瓷等；而所述反射膜层82为凹凸不平的凹槽结构或者凸起结构，请参照图6和图7。

请参照图2，所述二维光栅还包括安装平台04，所述安装平台04中心开设有安装凹槽，所述光栅片03通过所述安装夹具05固定设置在所述安装凹槽内。

使用本实用新型计算活动部件和固定部件的一个过程如下：

请参照图5，假设读数模块01相对于光栅片03由A(X_A，Y_A)点移动到点B(X_B，Y_B)，两组第一位移传感器(11,21)坐标点分别由(X_xa，Y_xa)、(X‘_xa，Y‘_xa)变化为(X_xb，Y_xb)、(X‘_xb，Y‘_xb)，同时，两组第二位移传感器(21,22)坐标点分别由(X_ya，Y_ya)、(X‘_ya，Y‘_ya)变化为(X_yb，Y_yb)、(X‘_yb，Y‘_yb)。在此过程中，所述读数模块01与光栅片03之间的相对旋转量θ可以通过以下公式进行计算：

也可以通过下面公式计算：

最终，所有的测量、计算数据，由所述信息处理单元02中的数据接口模组54，按照装备驱动部件的需要，输出X向位移数据、Y方向位移数据、Z方向位移数据以及旋转角度数据，从而实现多自由度测量。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

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自由度位移测量系统，其特征在于，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。

6.根据权利要求5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。

7.根据权利要求4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。

8.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。

9.根据权利要求8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，所述光栅片通过安装夹具固定设置在所述安装凹槽内。

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