（测试计量技术及仪器专业论文）超精密测量光路中调焦位移共轴检测技术的研究.pdf

摘要摘要本课题是福建省科技计划重点项目“柔性电路f p c 非电量参数在线质量控制技术研究 中的一项关键技术实现超精密光学测量系统中调焦位移的共轴检测，解决该系统中存在的原理性误差问题，并最终提高光学测量系统的测量精度，在应用各种光学原理实现对超精加工表面的几何量测量中，精加工表面面形及微观形貌是由位移传感器记录光学测头的离焦量而碍到的。电容式位移传感器具有很多优点，是记录调焦位移的关键部件。结合实现光学测量系统测头的小型化及减小边缘效应影响等要求，可用变极距式平板电容位移传感器实现光学测量系统调焦位移的共轴检测。本文突破了普通平板式电容位移传感器的结构限制，设计了一种新型的中间通光、环状电极、带双等电位保护环电容式位移传感器，使测量光路的测量光轴从极板的对称中心穿过，传感器对称轴与光路的光轴重合，从而满足阿贝测量原则；改变传统机械加工工艺，采用微机电系统( m e 憋)工艺力u - r _ 双等位环电极极板，可以使极板做得很薄，约为几微米；等位环与电极极板之间的间隙很薄。约为1 0 1 t m ，有效减小了边缘效应附加电容的影响，从而提高了测量的线性度和测量精度；设计了改进型的电容运算放大器检测电路。最后，通过数据采集卡将测量信号采集到计算机，由计算机将数据处理、显示输出，实现了智能化。课题主要的研究工作内容有：1 对平板式电容传感器的边缘效应及其对输出特性的非线性影响进行定性分析：2 ，根据课题设计要求，应用a u t o c a d 软件绘出中间有通光孔的双等位环电极极板的结构；3 ，设计电极极板加工的m e m s 工艺流程并加工电极极板；4 在电路仿真的基础上，设计电容式传感器检测电路。进行位移测量实验；5 完成了电容式位移传感器的初步标定。在完成了试验仿真的基础上，在实验台上进行了动态试验。对电容式传感器的标定实验表明，非线性误差小于1 ，实现了预期的设计目标。关键词：超精密测量；电容式位移传感器；双等位环；m e m s 工艺a b s t r a c ta b s t r a c tt h i sr e s e a r c hi sac r u c i a lt e c h n i q u ei nt h ep r o v i n c i a lt e c h n i c a lp r o j e c tn a m e d“f l e x i b l ec i r c u i tf p cn o n - e l e c t r i c a lq u a n t i t yp a r a m e t e ro n l i n eq u a l i t yc o n t r o lt e c h n o l o g y ”i tc a na c c o m p l i s ht h ec o a x i a ld e t e c t i o no ff o c u sa d j u s t m e n td i s p l a c e m e n ti nt h eu l t r a - p r e c i s eo p t i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hs o l v e st h ep r o b l e mo ft h e o r e t i c a le r r o ri nt h es y s t e ma n di n c r e a s e st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h eo p t i c a lm e a s u r i n gs y s t e m i nt h ep r o c e s so ft h eg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n tt ot h eu l t r a - p r e c i s ef i n i s hs u r f a c ev i at h et h e o r yo fe o n f o c a lm i c r o s c o p ym e a s u r e m e n t , w h i c hi sr e c o r d e db yt h ed i s p l a c e m e n ts e n s o r c a p a c i t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o rh a sl o t so fa d v a n t a g e sa n di ti st h ek e yp a r tw h i c ha p p l i e dt od e t e c tt h ef o c u s i n gd i s p l a c e m e n t a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fm i n i a t u r i z a t i o na n dm i n i m i z i n gt h ei n f l u e n c eo fe d g ee f f e c ti no p t i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e m ，p l a t ec a p a c i t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o rs u c c e e d si nc o a x i a ld e t e c t i o no ff o c u sd i s p l a c e m e n t t h et h e s i sh a sp u tf o r w a r dan e w - s t y l ec a p a c i t i v es e u s o r t h i so r b i c u l a rc a p a c i t i v es e n s o rw i lam i d d l e h o l ea n dd o u b l ee q u i p o t e n t i a lr i n g si m p r o v e st h es t r u c t u r a lc o n s t r a i n to ft h eo r d i n a r yp l a t eo n e t h i sn e w - s t y l es t r u c t u r e m a k e st h el i g h tp a t ho fp l a i ns h a f tp a s st h r o u g ht h ec e n t r eh o l eo ft h eo r b i c u l a rp o l a rp l a t e ，a n dt h e nt h em e a s u r e m e n to ft h ed i r e c t i o n a lo fd i s p l a c e m e n ti sc o i n c i d e n t 谢t hp l a i ns h 世w h i c hi si na c c o r d a n c ew i t ht h ea b b er u l e 。b r e a k i n gt h o u g ht h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，t h ed e s i g na p p l i e sm e m st e c h n i q u et op r o c e s st h eo r b i c u l a rp o l a rp l a t ew i t hd o u b l ee q u i p o t e n t i a lr i n g s ，w h i c hc a r lm a k et h et h i c k n e s so ft h ep l a t ev e r yt h i n ( a b o u tlm m ) ，a n dt h eg a pb e t w e e nt h ee q u i p o t e n t i a lt i n g sa n dt h ep o l a rp l a t e ( a b o u t10 p m ) t h i st e c h n i q u ee f f e c t i v e l yd e c r e a s e st h ee d g ee f f e c ti n f l u e n c eo fs t r a yc a p a c i t a n c ea n di n c r e a s e st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fl i n e a r i t y w h a t sm o r e ，i th a sd e v i s e da ni m p r o v e dm e a s u r eo fo p e r a t i o n a la m p l i f i e rt od e t e c tt h ec i r c u i t i nc o n c l u s i o n ，t h ed a t ar e c o r d i n gc h i pc o l l e c t st h es i g n a lv o l t a g et ot h ec o m p u t e ra n do u t p u tt h ei n f o r m a t i o nt h r o u g hc o m p u t e r , w h i c hi n t e l l i g e n t i z e st h ew h o l es y s t e m t h er e s e a r c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n gf i v es u b j e c t s ：a b s t r a c ta b s t r a c tt h i sr e s e a r c hi sac r u c i a lt e c h n i q u ei nt h ep r o v i n c i a lt e c h n i c a lp r o j e c tn a m e d“f l e x i b l ec i r c u i tf p cn o n - e l e c t r i c a lq u a n t i t yp a r a m e t e ro n l i n eq u a l i t yc o n t r o lt e c h n o l o g y ”i tc a na c c o m p l i s ht h ec o a x i a ld e t e c t i o no ff o c u sa d j u s t m e n td i s p l a c e m e n ti nt h eu l t r a - p r e c i s eo p t i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hs o l v e st h ep r o b l e mo ft h e o r e t i c a le r r o ri nt h es y s t e ma n di n c r e a s e st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h eo p t i c a lm e a s u r i n gs y s t e m i nt h ep r o c e s so ft h eg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n tt ot h eu l n a - p r e c i s ef i n i s hs u r f a c ev i at h et h e o r yo fc o n f o c a lm i c r o s c o p ym e a s u r e m e n t , w h i c hi sr e c o r d e db yt h ed i s p l a c e m e n ts e n s o lc a p a c i t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o rh a sl o t so fa d v a n t a g e sa n di ti st h ek e yp a r tw h i c ha p p l i e dt od e t e c tt h ef o c u s i n gd i s p l a c e m e n t a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fm i n i a t u r i z a t i o na n dm i n i m i z i n gt h ei n f l u e n c eo fe d g ee f f e c ti no p t i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e m ，p l a t ec a p a c i t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o rs u c c e e d si nc o a x i a ld e t e c t i o no ff o c u sd i s p l a c e m e n t t h et h e s i sh a sp u tf o r w a r dan e w - s t y l ec a p a c i t i v es e n s o r t h i so r b i c u l a rc a p a c i t i v es e n s o rw i t ham i d d l e h o l ea n dd o u b l ee q u i p o t e n t i a lr i n g si m p r o v e st h es t r u c t u r a lc o n s t r a i n to ft h eo r d 幽- yp l a t eo n e t h i sn e w - s t y l es t r u c t u r e m a k e st h el i g h tp a t ho fp l a i ns h a f tp a s st h r o u g ht h ec e n t r eh o l eo ft h eo r b i c u l a rp o l a rp l a t e ，a n dt h e nt h em e a s u r e m e n to ft h ed i r e c t i o n a lo fd i s p l a c e m e n ti sc o i n c i d e n tw i t hp l a i ns h a f t w h i c hi si na c c o r d a n c ew i t l lt h ea b b er u l e b r e a k i n gt h o u g ht h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，t h ed e s i g na p p l i e sm e m st e c h n i q u et op r o c e s st h eo r b i c u l a rp o l a rp l a t ew i t hd o u b l ee q u i p o t e n t i a lr i n g s ，w h i c hc a r lm a k et h et h i c k n e s so ft h ep l a t ev e r yt h i n ( a b o u tlm m ) ，a n dt h eg a pb e t w e e nt h ee q u i p o t e n t i a lr i n g sa n dt h ep o l a rp l a t e ( a b o u t10 i _ t m ) t h i st e c h n i q u ee f f e c t i v e l yd e c r e a s e st h ee d g ee f f e c ti n f l u e n c eo fs t r a yc a p a c i t a n c ea n di n c r e a s e st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fl i n e a r i t y w h a t sm o r e ，i th a sd e v i s e da l li m p r o v e dm e a s u r eo fo p e r a t i o n a la m p l i f i e rt od e t e c tt h ec i r c u i t i nc o n c l u s i o n ，t h ed a t ar e c o r d i n gc h i pc o l l e c t st h es i g n a lv o l t a g et o t h ec o m p u t e ra n do u t p u tt h ei n f o r m a t i o nt h r o u g hc o m p u t e r , w h i c hi n t e l l i g e n t i z e st h ew h o l es y s t e m t h er e s e a r c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n gf i v es u b j e c t s ：a b s t r a c t1 t h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h ee d g ee f f e c ti nf i a tc a p a c i t i v ed i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e ra n dt h en o n l i n e a ri n f l u e n c ei no u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ；2 i na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u e s to fr e s e a r c h , d e s i g nt h es t r u c t u r eo fo r b i c u l a rp o l a rp l a t ew i t hd o u b l ee q u i p o t e n t i a lr i n g sv i at h ea u t o c a ds o f t w a r e ；3 c o n f i r mt h ep r o c e d u r eo f m e m st e c h n i q u ea n dc o m p l e t et h ep o l a rp l a t e ；4 ，o nt h eb a s i so ft h es i m u l a t i o nt e s t i n g ，d e s i g nt h et e s tc i r c u i to fc a p a c i t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o ra n de x p e r i m e n tt h ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t ；5 c a l i b r a t i n gt e s t i n go fc a p a c i t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o r ；o nt h eb a s i so ft h es u c c e s s f u ls i m u l a t i o nt e s t i n ga n dd y n a m i ct e s t i n go nt h ee x p e r i m e n tt a b l e ，i tc o n c l u d e st h a tt h ec a p a c i t i v es e n s o r sr e s o l v i n gc a p a b i l i t yo u t g o e s0 0 2 i t ma n dt h en o n l i n e a re r r o ri sl e s st h a n1 ，w h i c hi si nc o r r e s p o n d e n c ew i t ht h ed e s i g no b j e c t i v e k e yw o r d s ：u l t r a - p r e c i s em e a s u r e m e n t ；c a p a c i t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o r ；d o u b l ee q u i p o t e n t i a lr i n g s ；m e m st e c h n i q u e 厦门大学学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。声明人( 签孙奶觚，潮年月弓日如g 年6 月日厦门大学学位论文著作权使用声明本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。本学位论文属于1 保密() ，在年解密后适用本授权书。2 不保密()( 请在以上相应括号内打“”)作者签名：锄坼作者签名：物i 觞、剔磁轹讹日期：细髫年乡月弓日吼胗醑多月乡日第一章绪论1 1 引言第一章绪论在光学非接触超精密测量应用中，如基于差动像散技术的超精密测量调焦光路等，实现对几何量的超精密测量的关键部位是记录调焦位移的传感器，即被测表面的形貌是由调焦位移数据直接给出的。【1 1 因此，记录调焦位移大小的传感器的精度将直接影响测量结果的精确度，如图卜1 所示的调焦测量光路。图卜1调焦测量光路原理图用于记录光路中调焦位移的传感器有许多种，如压电式传感器、磁电式传感器、电阻应变式传感器、电容式传感器等。在这些可实现调焦位移的传感器中，有些传感器因为体积较大，不适合安装在光路中；有些传感器因为测量精度低，难以满足对被测表面实现超精密测量的要求；有些传感器会使调焦驱动器件的频率响应特性变差；还有些传感器动态响应比较差等。电容式位移传感器原理简单，作为可实现超精密测量中调焦位移记录的传感第一章绪论器，其灵敏度、动态特性、测量精度、信号处理速度等方面具有其它类型传感器所难以比拟的优势，特别是可以实现非接触测量和实时在线测量。因此，常被应用于超精密的光学测量实践中，记录光路调焦量的大小，并给出被测对象的微观形貌数据。1 2 本课题的研究目的和意义本课题是福建省科技计划重点项目“柔性电路f p c 非电量参数在线质量控制技术研究”中的一项关键技术实现超精密光学测量系统中调焦位移的共轴检测，解决该系统中存在的原理性误差问题，并最终提高光学测量系统的测量精度。普通的电容式传感器主要有三种类型，变极距型、变面积型和变介质型，目前在实际应用中，变极距型和变面积型应用的较多。其中变极距型的分辨力最高，可以达到0 0 1 9 m ，因此广泛应用于微位移测量中。但电容式传感器的测量精度要达到亚纳米级甚至纳米级，这就需要进行特殊的设计、制造和信号处理电路。首先，常用的平板式电容传感器，其电极极板外边缘处存在发散电场，造成电场畸变，使其线性变差，需要用等电位保护环来改善。等电位保护环可以改善电容传感器电极外边缘处的电场畸变，有效减小边缘效应的影响甚至可以忽略不计。但是要达到上述的效果，等电位保护环与有效测量电极极板之间的间隙要做的尽可能小，以保证电极边缘处电场不发生扭曲。这就带来了另一个困难，即等电位保护环与有效测量电极极板之间的间隙在普通机械加工及安装条件下，不可能实现几个微米量级，也难以达到绝缘电阻的要求。因此，如果采用传统加工制作方法这种电场畸变的影响仍然存在；其次，信号处理电路要求使等电位保护环与有效测量电极极板的供电电压保持严格的相等，同时要保证低的噪声、避免干扰信号引入等；第三，这种普通圆形极板的平板式电容传感器在记录光路的调焦位移信号时，传感器的测量轴不能实现与调焦光路的光轴同轴，这样在测量时不符合阿贝原则，从而引入测量误差。这种误差虽然很小，但对于纳米级测量系统来讲，是提高测量精度的一大障碍。因此，本课题的研究目的就是要研究一种新型结构的、符合阿贝测量原则的电容式位移传感器，并研究其应用m e m s 技术进行加工的工艺，使等电位保护环2第一章绪论与电极极板间隙大小、极板厚度达到设计要求，以及研究电容位移信号处理电路，达到提高其测量精度的目的。该课题的研究成功，可以使应用调焦光路实现超精密测量的光学系统的位移记录精度达到纳米级，从而实现高精度测量的目的。而这种测量系统在精密及超精密工程、微机电系统加工质量、半导体器件表面加工质量、甚至在光学存储相关设备等领域具有广泛的应用。为在该领域占据一席之地，提升相关技术的竞赛力，奠定坚实基础。1 3 微位移测量技术的研究现状1 3 1 常用的微位移测量方法锄对不同的被测对象进行测量时，采用的测量技术也不尽相同，大致可分为：在线测量和离线测量，接触测量和非接触测量。常用的微位移测量技术主要有四种：机械式测量技术、显微镜测量技术、光学测量技术和电学测量技术。【3 】1 机械式测量技术，大部分是接触式测量，测量时将被测物体与标准测量器具进行比较。得出位移量的变化值。常用的测量器具包括千分尺、游标卡尺和螺旋测微仪等。2 显微镜测量技术( 1 ) 扫描隧道显微镜，其原理是应用量子理论中的隧道效应。( 2 ) 原子力显微镜，其原理是利用物质表面间的原子间力效应，可用于非导体，开辟了微观尺寸测量的新的研究领域。( 3 ) 光子扫描隧道显微镜，是用光探针探测物体表面被内全反射光所激励的瞬衰场，其分辨率远小于入射光的半波长，突破了光学显微镜半波长极限的限制。( 4 ) 扫描近场光学显微镜，这是另一种具有亚波长分辨率的光学显微镜，它使用个孔阑限制的光纤探针去探测物体表面的辐射，辐射的强度是物体表面光学性质的量度。虽然其量程仍然有限，但己广泛应用于各个研究领域和许多工业行业的表面分析、微观现缘的研究中。( 5 ) 扫描电子显微镜，在实现观测物体表面微观形态的同时，也能达到测量精度为几个埃的水平。扫描电子显微镜的扫描范围较大，具有几纳米左右的分辨率第一章绪论和几十万倍的放大倍数，易于进行选区扫描，且有很长的工作距离和景深。3 光学测量技术( 1 ) x 射线干涉术，x 射线的波长为0 4 纳米左右，作为基准它的波长很短，提高了测长的分辨力，利用x 射线的超短波长干涉测量技术可以实现0 0 1 纳米分辨率的位移测量，测量范围可达2 0 0 微米。( 2 ) 激光频率法，其原理是基于激光的光谱特性，激光输出的光谱取决于谐振频率和谐振腔长度。这就表明，当激光器中一个反射镜位置固定时，可以根据激光频率与谐振腔长度的关系确定另一个可动发射镜的位置。通过测量激光频率就可以测量测出微小位移，其准确度在纳米的量级，这种方法对于微米甚至纳米范围的微位移测量比较有利。( 3 ) 全息光栅，是利用干涉方法制作的光栅。与计量光栅相比全息光栅具有很高的空间频率，正是利用其高的空间分辨力作为长度测量基准来实现位移的精密测量。光栅技术对环境的要求相对比较低，可以满足纳米精度的使用要求，但不能实现非接触测量。( 4 ) 光学干涉仪，对于纳米级位移测量而言，激光干涉技术仍然是主要的测量方法之一。光波干涉分为双光束光波干涉和多光束光波干涉。通常是利用干涉条纹图的测量方法进行测量纳米级测量，其应用具有很大的局限性。4 电学测量技术，典型的有电感式和电容式测微仪。( 1 ) 电感式测微仪，一种接触式高精度微位移测量仪器，它由电感测头和测量仪器组成，广泛应用于精密机械制造业，如零件尺寸、形状精度检测等。( 2 ) 电容式测微仪，电容式传感器是近年来发展很快的用以进行微位移测量的方法之一。机械式测量技术测量操作简单、使用方便、测量范围大，但精度低、不易实现动态测量和无接触测量，难与微机接口。显微镜测量技术和光学测量技术分辨率高，但系统相对复杂，对环境和操作水平要求高，主要应用于实验室的检测，不能应用于在线检测。电学测量技术结构简单、量程较大、非基础测量、抗干扰能力强，可用于现场的生产检测。4第一章绪论1 3 2 电容式传感器的研究现状在测量技术中，广泛地采用电学测量技术。电学测量技术具有下列主要优点：测量的准确度和灵敏度高，测量范围广；测量反应速度快，具有比较宽的频率范围；电信号易于传输和处理；能自动连续地进行测量，便于自动记录：采用微处理器制成的智能化仪器可与微型计算机一起组成测量系统：可进行远距离测量，从而能实现集中控制和远程控制。在不少场合，还要求能对被测物体进行非接触式测量，这是因为：传感器探头与被测物体表面接触，一方面会磨损传感器探头，另一方面还有可能会损害被测物体表面。而且在有些场合下，根本无法使用接触的方法来测量。因此，在非电量检测领域中，非接触式测量方法及仪器的研究一直是检测技术发展的一个重要方面。有多种传感器如电感式传感器、光电式传感器都能实现非接触式测量。电容式传感器的主要优点有：【4 j ( 1 ) 体积小，结构简单；( 2 ) 响应时间短，适合于在线测量和动态测量；( 3 ) 灵敏度高，测量精度高；( 4 ) 探头结构简单，可以适用于恶劣条件等等。电容传感器虽然存在很多不足，比如：寄生电容影响大，不仅降低了传感器的灵敏度和精度，而且会使仪器工作不稳定，变极距型电容传感器输出成非线性，即使其他类型的电容传感器由于边缘效应的存在，也会出现非线性等。但随着材料、工艺、电子技术尤其是集成技术的高速发展，成功地解决了电容传感器在使用中存在的问题，使之成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有前途的传感器。【5 j 电容传感器的应用非常广泛，凡是可以转换为间距、面积和介电常数的量都可以用电容传感器来测量。近年来，随着科学技术的发展，电容式传感器的缺点不断地被克服，应用也越来越广泛，尤其是出现了数字式智能化的电容式传感器，它是一种先进的数字式测量系统。将其测量部件技术与微处理器的计算功能合为一体，使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。数字式智能化传感器的综合性能指标、实际测量准确度比传统的传感器提高了很多。 6 1总之，随着传感器技术的发展，电容式传感器的形式将会多种多样，其形式应以非接触式为研究重点。其发展方向是通过广泛应用微机等高新电子技术来获得全面性能的进一步提高，同时还要向着小型化、智能化、多功能化的方向发展。第一章绪论因此，电容式传感器在微位移测量中得到广泛研究和应用。电容式传感器的相关研究，无论是过去还是现在、不管是在国内还是国外，都有许多的研究文献被报道，测量精度达到纳米级的电容位移传感器的报到也屡见不鲜。但对电容传感器研究的报导，大多数为应用传感器实现各种测量目的的相关应用研究，如测土壤湿度、材料壁厚、液面高度测量、压力测量等。而对研究如何优化电容传感器设计结构、从设计及加工的角度研究提高电容传感器测量精度的文献不多。近年来，随着科技发展的进一步需求，人们对电容传感器的研究更多地向微小型方向延伸，向如何提高电容传感器的测量精度、稳定性等方面扩展。例如，从电容传感器信号处理电路的角度如何提高位移测量精度的研究，从电容传感器信号处理的数字化角度的研究，从电容传感器电极板的结构角度开展的提高输入输出线性特性的研究，以及其它一些应用有限元分析软件进行的相关理论分析和仿真实验等。对平板式电容位移传感器提高测量精度的研究，主要集中在从处理电路和结构优化的角度提高输出特性线性度这样的一些理论分析和实践。这些理论分析和研究为传感器的结构设计、制造及后续处理电路研发指明了方向。尤其在信号处理电路方面，随着电子技术的飞速发展，目前已不存在难以克服的困难。国内外均可买到高精度的电容传感器驱动电路产品；对于电容极板的结构优化方面的研究进行得也比较深入，并基于这些分析设计了可以改善非线性、带有等电位保护环的极板结构；也有等电位保护环与极板间隙越小，电场畸变引起的非线性影响越小的结论。1 4 本课题的主要研究内容和研究方案1 应用有限元分析的方法，对电容式位移传感器的两电极极板电场产生的边缘效应进行定性分析；研究等电位保护环与有效极板间隙大小对电场畸变以及对输出特性的非线性影响：2 应用a u t oc a d 设计软件，根据测量光路中要求的通光孔径的大小等因素，设计带通光孔的、有内、外两个等电位保护环的电容式位移传感器电极极板。选择合适的材料做电极基板，应用m e l d s 工艺，设计m e l d s 工艺流程，完成电容式位移传感器电极极板的加工。电极极板要求达到以下指标：内、外等电位保护环与6第一章绪论有效测量电极极板之间的绝缘间隙为1 0 个微米，绝缘电阻大于1 0 0 兆欧姆，电极极板厚度不大于1 毫米，通光孔径不小于1 0 毫米的要求。电极极板结构示意图如图1 - 5 所示。i 二正： 图1 - 5 平板式电容传感器电极极板结构示意图3 了解m e m s 工艺，设计电极极板加工的m e m s 工艺流程，并完成电极极板的制作；4 在电路仿真的基础上设计电容式位移传感器检测电路，并进行位移测量实验；5 电容式位移传感器标定：对传感器的分辨率、非线性及其它特性进行标定，并进行误差分析。本课题的主攻关键和独到之处：( 1 ) 双等电位保护环，实现有中心通光孔的电极极板设计，克服了传统的平板式电容传感器由于自身结构的限制，其测量轴线与光轴无法重合的不足，从而满足“符合阿贝原则”的要求；( 2 ) 等电位保护环与极板间隙实现微米尺寸的加工工艺，实现间隙及极板厚度小从而减小电容器附加电容非线性影响的要求。1 5 本章小结本章概述了论文研究的背景、目的、意义；并详细介绍了国内外目前电容式位移传感器及其研究现状和发展，论述了本课题不同以往研究的着眼点；简要介绍了本文的主要研究内容和研究方案。7第二章光学测量系统分析2 1 引言第二章光学测量系统分析生产过程中的检测，除了一般并不要求在加工过程中处理的理、化测定外，绝大多是检测轮廓形状、几何尺寸形状与粗糙度( 或表面微观形貌) ，其中表面微小尺寸的非接触测量是一个难点。由于几何形状精度测量的绝大部分又是针对公称尺寸的误差部分，所以在一般情况下解决粗糙度( 或表面微观形貌) 和小尺寸测量具有普遍意义。近年来，随着微机械及大规模集成电路的发展，对小工件的表面形貌和位移的精确测量提出了更高的要求。在许多情况下，被测元件的表面是不连续的，这是由非传统的加工方法如蚀刻等引起的，所以有许多台阶高度需要测量。与传统的表面测量相比，台阶表面一般形状不规则，边缘比较陡峭，且多为单向性布局；台阶高度数值一般较大；台阶表面多为软质薄膜，要求测量力小；台阶上下两边材料大多不同。而大多数表面粗糙度测量仪几乎都无法用于小尺寸测量，因为测量分辨率和测量范围之间是一对不可调和的矛盾。常用的干涉显微镜和光外差干涉仪虽具有高的分辨率，但它们只能测量非常光滑且连续的表面。随着i t 产业的蓬勃发展，越来越多的带信息制品不断涌现，传统的机械触针式仪器虽然测量范围大，但易损伤测量表面，为了避免破坏信息，已不再适于这类制品的测量。所以实际生产中急需能测量非连续表面、且集表面微观形貌测量与小尺寸测量于一体的非接触式测量系统。 7 1基于差动像散技术的超精密测量调焦光路系统是一种高精度、非接触式的多功能测量系统，具有灵活的测量方法，聚焦透镜可以工作于静态、动态两种状态，分辨率和测量范围用远焦光杠杆可以很方便的改变，既可以用于表面微观形貌测量，也可以用于小尺寸的非接触测量。在测量调焦光路中，实现对几何量的超精密测量的是记录调焦位移的传感器。这里我们应用的是电容式位移传感器，如图2 - 1 所示，电容式传感器的精度将直接影响测量结果的精确度。因此，电容式传感器作为整个光学测头的核心部件，也是整个测量调焦光路中的关键部位。课题“超精密测量调焦光路中的双等位环电容位移传感器研究”的目的就是探讨、研8第二章光学测量系统分析究适合超精密测量调焦光路系统的一种记录位移微小量变化的具有新型结构的电容式位移传感器。2 2 测量光路原理光学测量原理是如图1 - 1 所示的基于像散原理的调焦测量光路。1 8 】从半导体激光器发出的激光光束经过准直透镜准直、整形变成平行于光轴的平行光束到达偏振分光棱镜。偏振分光棱镜是由两个棱镜组成的光学器件，两个棱镜之间是一层薄薄的空气层，垂直入射的激光光束进入第一个棱镜后分解为两束偏振方向垂直的偏振光0 光和e 光，其中0 光在空气层界面全反射，而e 光则进入第二个棱镜出射。因此，通过偏振分光棱镜的激光光束变成了只有一个振动方向的线偏振光。此偏振光通过四分之一波片后变成圆偏振光( 四分之一波片的光轴应与线偏振光的偏振方向成4 5 0 ) ，经调焦物镜厶和远焦光学杠杆厶、厶后形成圆光斑会聚在被测表面。从被测表面反射回的光束仍然是圆偏振光，当再次通过2 4 片后，又变回线偏振光，但偏振方向旋转了9 0 0 ，即与原先通过的偏振分光棱镜的线偏振光的振动方向相互垂直，这样就避免了沿同一光路传播的来回两光束发生干涉。而且，此偏振光进入偏振分光棱镜相当于一束0 光，在空气层界面全反射，从而防止了反射光进入激光器。最后，从偏振分光棱镜出射的光束经过柱面透镜和分光棱镜，被分成两束光投射到四象限光电二极管上，当被测表面位于焦平面时，反射光束投射到光电二极管上呈圆形且位于探测器的中部，四个象限受光量相等，因而输出相同。当被测表面位于近焦面时，反射光束会聚后投射到光电二极管上呈纵向椭圆形，四个象限中，上下象限输出大，左右象限输出小。当被测表面位于远焦面时，反射光束会聚后投射到光电二极管上呈横向椭圆形，四个象限中，上下象限输出小，左右象限输出大。这样只要分别将上下和左右两组象限的输出相加后，再相减，就可以检测出聚焦误差信号。在测量待测物体表面形貌时，光学探针以恒定的速度沿被测表面扫描，表面形貌上的起伏使光电探测器不断产生聚焦误差信号，这一信号经过处理和补偿后被使用来控制音圈电机，驱动聚焦物镜作相应的上下移动，保证调焦物镜厶的会聚光点始终聚焦于被测物体表面，此时系统是动态像散法测量，分辨率相对降低，9第二章光学测量系统分析但测量范围大。调焦物镜厶的连续变化反映了被测点高度的连续变化，即被测物体表面形貌的信息。若调焦物镜厶在测量过程中始终静止不动，此时系统是静态像散法测量，线性范围窄，但分辨率高，适合光滑表面测量。当用动态像散法测量被测物体表面时，被测物体以一定的速度相对于光探针做扫描运动。因此，在每一测量点上调焦透镜都要自动调焦，以确保光探针正确地聚焦在被测物体表面上。2 3 测量光路中的平板式电容位移传感器电容式位移传感器就是用来测量调焦透镜调焦位移变化量的关键部件。根据变极距型平板电容式位移传感器的基本原理( 详见第三章3 2 2 ) ，当平板电容式位移传感器两电极极板之间的距离发生变化时，传感器的电容值就会发生相应的变化。可见，变极距型平板电容式位移传感器两电极极板之间距离的变化，可以由传感器电容值的变化来反映，通过测量传感器电容值的变化量就可以知道传感器两电极极板之间距离的变化量。因此，在测量光路中，如果使得调焦物镜调焦位移变化量与电容式传感器两电极极板之间的位移变化量一致，那么就可以用变极距型平板电容式位移传感器来测量调焦物镜调焦位移量的变化。变极距型电容位移传感器用于调焦位移测量存在着两个制约精度的因素：阿贝误差和边缘效应。2 3 1 测量光路中阿贝误差普通圆形平板式电容位移传感器无法使调焦测量光路的光轴与电容式传感器的测量轴重合，违背阿贝原则，存在着原理性误差，限制了光学测量系统测量精度的提高。阿贝原则是指测量长度时，应使被测零件的尺寸线( 被测线) 和测量仪器中作为标准的刻度尺( 标准线) 安置在同一直线或其延长线上。【9 1 如图2 2 所示，以游标卡尺测量球径为例( 与阿贝原则相悖的例子) ：当带有活动量爪的框架因主尺导引面的直线度误差，或者框架和主尺间的间隙而产生测量误差：a = l l 。= 跑缈s 缈( 2 1 )1 0第二章光学测量系统分析图2 - 2 游标卡尺测量球径其中，9 一活动量爪的倾斜角。而用千分尺来测量球径，如图2 - 3 所示( 符合阿贝原则的例子) ：图2 - 3 千分尺来测量球径如果由于测微螺杆与螺母之间的间隙或者测微螺杆变形，造成测微螺杆轴线与套筒刻线不平行，则由此夹角产生的误差：a = 三t - 互= 己乙三c o s r p = ( 1 一c o s o )( 2 2 )根据c o s r p 的泰勒展开式：所以有：c 。s 伊：l 一+ 霉一垂+ l 一生( 2 - 3 )2 14 16 12 1= ( 1 一c o s 驴) = 萼= 扣9 2c 2 削第二章光学测量系统分析从两个比较可知，如果计量器具的设计违背阿贝原则将引起一阶误差，误差较大。如果符合阿贝原则，则至多引起高阶误差，误差较小。因此，设计中间有通光孔的电容式位移传感器，使调焦测量光路的光轴与电容传感器的测量轴重合，从而在测量中符合阿贝原则，是本课题的学术思想之一。2 3 2 边缘效应为避免阿贝误差，设计了中间有通光孔的电容式传感器的电极极板，但1 ：1 4 普通电极极板又多了一个边缘电场的变形。理想情况下，电容传感器两极板间电场是均匀分布的。但实际应用中，在电极极板的边缘处存在着电场的畸变，即在边缘处电场向外发散，附加了一个非线性的电容量，从而影响测量的灵敏度和线性度，这种现象称为边缘效应。f 1 0 1 这种情况下电容式传感器的电容可以用下式表示：c = 土3 6 x 皿l8 士( - 6 詈) + 1 + 彤) )协5 ，舯c = 羔6 詈) 小船) 部