（测试计量技术及仪器专业论文）大行程纳米测量机关键技术的研究.pdf

a b s t r a c t n a n o m e t r o l o g yi s ar i s i n g s u b j e c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o - n a n o t e c h n o l o g y i nt h el a s td e c a d ei n2 0 mc e n t u r yn a n o m e t r o l o g yh a sb e e ne s s e n t i a l i n m a n yf i e l d s s u c h 嬲m i n i a t u r a t i o no fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , g e n o m i ci n b i o - t e c h n o l o g y , l a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i ti nm i c r o - e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n ga n d m e m s t e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r st h ei n d u s t r yp r o d u c t sh a s i n c l i n e dt om i n i a t u r i z a t i o nb e c a u s eo f m i c r o - n a n o t e c h n o l o g y t h et r a d i t i o n a l3 dc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n ec a l ln o t s a t i s f yt h ed e m a n do fa c c u r a c ym e a s u r e m e n tf o r s o m ed e v i c ew i t hc e n t i m e t e r d i m e n s i o n sa n ds u b - m i c r ot o l e r a n c e s oi ti sv e r yn e c e s s a r ya n ds i g n i f i c a t i v et o d e v e l o pm i n i t y p e3 dc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e w i t ha c c u r a c yi nl l a n ol e v e l t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e v e l o pa n dg r a s ps o m ek e yt e c h n o l o g yo fn a n o m e a s u r i n gs y s t e ma tl o wc o s t t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r el i s t e da sf o l l o w s 1 、an o v e lp r i n c i p l eo fp u s h - p u l lr e l a ym o v e m e n ti sp r o p o s e da n da p p l i e di nt h e d e s i g no ft h ep i e z o e l e c t r i cm i c r o - m o t i o ns t a g e i ns t r u c t u r ed e s i g nt h et r a d i t i o n a l s i n g l ea c t u a t o ri su p d a t e dt ot h ed o u b l ea c t u a t o r si no r d e rt oa v o i dt h ei m p e n d i n gs t a t e w i t ht h ep r o p e rf o u r - c h a n n e ld r i v i n gs i g n a l s ，t h es t a g ec a nm o v ec o n t i n u o u s l ya n d s m o o t h l yi nal o n gr a n g e 2 、t h ed r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sd e s i g n e d t h ef o u r - c h a n n e ld r i v i n gs i g n a l s a l eg e n e r a t e db ym c uo nt h eb a s eo fs e r v i c er e q u i r e m e n t a f t e rd ca m p l i f i e rt h e s i g n a l s a r el o a d e dt op i e z o e l e c t r i cc e r a m i c t h e nt h ep i e z o e l e c t r i cm i c r o - m o t i o ns t a g e c a nm o v eu n d e rd i f f e r e n tv o l t a g ea n df r e q u e n c y i na d d i t i o nt h ec l o s e - l o o pp o s i t i o ni s r e a l i z e d 3 、i no r d e rt oa c h i e v en a n o - m e a s u r e m e n tan e wm e t h o dc a l l e dc o u p l e dd i f f e r e n t i a l i n t e r f e r o m e t r yi sp r o p o s e d a no p t i c a ls y s t e mw i t h8t i m e so p t i c a lp a t hd i f f e r e n c ei s a d o p t e d t h en e wi n t e r f e r o m e t e ri ss i m p l ei nc o n c e p t s y m m e t r i ci no p t i c a lp a t h s ， w i t h o u to p t i c a ld e a d p a t ha n de a s yt os e tu p t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h em e a s u r i n g a c c u r a c yi se l i m i n a t e db yt h ei n t e r f e r o m e t e ri t s e l fa sf a ra sp o s s i b l e a sc o m p a r e d w i t hc o m m o nm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rt h er e s o l u t i o na n ds t a b i l i t ya r ei m p r o v e d o b v i o u s l y 4 、a na l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rr e a lt i m ec o m p e n s a t i o no ft h r e ee r r o r so fi n t e r f e r e n t i a l s i g n a l s ：q u a d r a t u r ep h a s es h i f te r r o r , u n e q u a la m p l i t u d ee r r o ra n dz e r oo f f s e t se r r o r t h e nt h ei n f l u e n c eo nt h em e a s u r i n ga c c u r a c yc a u s e db yt h e s ee r r o r si se l i m i n a t e d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fm u l t i p l e - p o i n tf i tt h ea l g o r i t h mc a ns p e e dt h ec a l c u l a t i o n o ft h e s ee r r o r s t a k i n gm i c r o c h i pc o m p u t e rc 8 0 51f 鼬t h ec o r e ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t i sa c c o m p l i s h e d 5 、t h ec a p a b i l i t yo ft h ep i e z o e l e c t r i cm i c r o - m o t i o ns t a g ea n dt h el a s e ri n t e r f e r o m e t r y t h er e s u l ts h o w s ：t h ea v e r a g es t e po fp i e z o e l e c t r i cm i c r o - m o t i o ns t a g ei si nn a n ol e v e l a n dt h e m e a s u r i n ga c c u r a c yo f t h el a s e ri n t e r f e r o m e t r yi s1 0 - 1 2 n m a ni n t e g r a t e dn a n o p o s i t i o n i n ga n dn a n o m e a s u r i n gs y s t e mi s d e v e l o p e da tl o w c o s t e a c h k e yt e c h n o l o g yo ft h es y s t e mi se x p l o i t e di n d e p e n d e n t l y o nt h eb a s eo f t h i ss y s t e mac o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n ew i t hn a n o - a c c u r a c yw i l lb es e tu p k e y w o r d s ： n a n o p o s i t i o n ，n a n o m e a s u r e m e n t ，p i e z o e l e c t r i cm o t o r ，l a s e r i n t e r f e r o m e t e r , e r r o rc o m p e n s a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津 盟或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 学位论文作者签名：彦钐永殇 签字日期： f 学位论文版权使用授权书 年i 月场伯 本学位论文作者完全了解：苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：步吁翕 砀 签字日期：i 乡年月7 多日 导师签名：彳私， 签字日期：力哆石年月文扩日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 纳米技术的内涵及发展历史 “纳米 是英文n a n o m e t e r 的译名，源于希腊文“小型 的意思，是一个长 度计量单位，为百万分之一毫米，也就是十亿分之一米，1 纳米( 1 n m ) 的长度相 当于将1 0 个氢原子紧密排列在一起。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在 l 一1 0 0 n m 间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于 微观和宏观的观点看，这是一种典型介观区域。当物质小到1 1 0 0n m 时，不仅 引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加，费 米能级附近的电子能级会出现由连续能级变为分立能级的现象。当纳米粒子的尺 寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期的边界条件将被破坏，磁性、 内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变 化。与此同时，宏观量子隧道效应也会发生。这些效应都会使物质的很多性能发 生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。所 谓纳米技术，就是- f q 在纳米尺寸范围内，即0 1 - - 1 0 0n l n 内研究电子、原子和 分子的运动规律及特性，通过操作单个原子、分子或原子团、分子团，以制造具 有特定功能的材料或器件为最终目的的一门多学科交叉的科学和技术【l 】。 现在公认的纳米技术概念源于美国诺贝尔物理奖获得者r f e y n m a n ，他在 1 9 5 9 年洛杉矶理工学院的一次物理学年会上，作了题为底层还有很大空间 的著名演讲。在演讲中，f e y n m a n 提出物理学的规律不排除一个原子一个原子地 制造物品的可能性，如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，物体就能 得到大量异乎寻常的特性。在此之后的二十多年时间内，f e y n m a n 所提出的这种 新奇的技术并没引起足够的重视，其中主要受实验科学手段的水平限制。2 0 世 纪7 0 年代后期，麻省理工学院0 v l i t ) 的e d r e x l e r 教授提倡纳米科技的研究，但 当时多数主流科学家对此持怀疑态度。直到1 9 8 2 年，美国著名i b m 公司成功研 制出具有原子分辨能力的扫描隧道显微镜( s t m ) 后( 19 8 6 年获诺贝尔物理学奖) ， 纳米技术才初次曝光。2 0 世纪8 0 年代，日本物理学家上田良二在研究电子显微 镜时，发现了纳米尺度的材料，开始系统地研究纳米材料的各种特异性能。1 9 8 4 年，德国萨尔大学的g | e i t e r 教授把6 n m 的金属粉末压制成纳米块，制出了世界 上第一块纳米材料，开创纳米材料学之先河。1 9 8 6 年d r e x l e r 在创造的机器 中首次明确提出分子纳米技术概念。进入2 0 世纪9 0 年代，随着用于微观表征和 操纵技术的重要仪器的相继使用，如原子力显微镜( a f m ) 等，纳米技术发展迅猛， 第一章绪论 纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力，迅速形成为一个有广泛学科内容 和潜在应用前景的研究领域。1 9 9 0 年4 月，美国i b m 公司阿尔梅德研究中心的 研究者借助s t m 一次移动一个原子，用3 5 个氙原子在镍( n i ) 的表面上刻出 “i b m 3 个字母。1 9 9 0 年7 月，在美国巴尔的摩召开了第1 届国际纳米科技会 议，这次会议的召开，标志着纳米科技的正式诞生。1 9 9 1 年日本n e c 公司物理 学家饭岛澄男发现碳纳米管。1 9 9 6 年，美国莱斯大学化学家r s m a l l e y 的 b u c k y b a l l ( 巴基球) 是纳米科技历史上迄今为止最著名的发现，并为他和他的同事 赢得了该年度诺贝尔化学奖，他宣称“纳米技术是建设者最后的边疆 。m m 公 司同年宣布造出了超微型碳分子算盘，此时，纳米科技才被公认为最尖端的研究 领域。1 9 9 7 年以巨磁电阻效应为原理的纳米结构器件在美国问世。这些都表明 人类已经开始了在单个原子、分子层次上对物质进行探测和控制研究，并取得了 一系列激动人心的重大成果，纳米科技可能会使材料和产品的生产方式以及可达 到的性能范围和本质发生彻底变革。目前，纳米技术广泛应用于光学、医药、半 导体、信息通讯等领域【拍j 。 在新旧世纪交替的时候，纳米技术的研究和开发正日益成为国际科学界和工 程技术界关注的热点：它的迅猛发展将在本世纪促使几乎所有的工业领域产生一 场革命性的变化，是继互联网、基因之后关注的又一大热点。从蒸汽机到晶体管， 两次产业革命对人类的进步起到了巨大的推动作用：蒸汽机使人类进入工业时 代，晶体管使人类进入信息时代，而纳米技术则将会成为下一个技术革命时代的 核心【7 】。目前几乎所有发达国家的政府和企业都在对纳米科技的研发进行大量的 投入，显示出空前的热情，力图抢占这一2 1 世纪科技战略的制高点【8 】。纳米技 术的发展日新月异，在生命医学、生物技术、信息产业、能源、环境、国防科技 以及工业制造等诸多领域的应用前景非常广阔，对2 1 世纪的科技发展具有重要 作用。 1 2 纳米测量技术 纳米测量技术是随着纳米及微米技术的发展而诞生的一门新兴的学科。在上 世纪最后十年，制造技术向着微型化方向发展，生物技术向着基因组分析方向发 展，微电子制造向超大规模集成电路方向发展，这些领域以及m e m s 技术的发展对 测量技术提出了纳米测量及计量的要求。如下是几个相关领域在几何尺寸上的进 展，从中可以看出对纳米精度测量及校准技术的发展需求。 超精密机械加工：纳米级加工的含义是达到纳米级加工精度、包含纳米级尺 寸精度、纳米级几何形状精度和纳米级表面质量。用金刚石刀具超精密切削有色 第一章绪论 金属和非金属、采用金属结合剂砂轮在线电解修整砂轮的镜面磨削技术，已经可 以加工出r a o 0 2 - 0 0 0 私m 的镜面扎 微细加工技术：采用电子束加工时，加速电子将其能量转化成热能以去除穿 透层表面的原子。当电子束聚焦成0 i g m 的光束照射敏感材料时，可以刻蚀0 i p m 的线条宽度，该技术在集成电路制造中得到广泛应用。离子束直径可以达n o i n m 的数量级，采用离子束直接将工件表面的原子碰撞出去的加工方法在理论上可以 得到精确的形状和纳米级的线条宽度，聚焦离子束刻蚀技术已成功地应用于材料 表面改性。l i g a 技术是微型机械制造技术中非常有用的工艺，它采用深度同步x 射线光刻技术，已经制造出最大高度为l0 0 0 9 m 、高宽比为2 0 0 、加工精度为0 i g m 的立体微结构【l 0 1 。 、 微型机电系统( m e m s ) ：美国斯坦福大学已经研制出直径2 0 p r o 、长度1 5 0 9 i n 的 铰链连杆机构，2 1 0pm xl o o g m 的滑块机构、转子直径2 0 0 瞳m 静电电机以及流量为 2 0 m l m i n 的液体泵：美国加州大学伯克利分校试制出直径为6 0 p r o 的静电电机，直 径为5 m 所的旋转关节以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧；贝尔实验室开发出直径为 4 0 0 p m 的齿轮 1 1 1 。 基于以上相关领域制造技术的发展需求，世界各国测量组织及计量单位在纳 米精度测量及校准技术研究中已经取得长足发展。发展纳米测量学可以通过两个 途径，一是传统分析技术，主要指电子束、离子束和光子束技术。高性能透射电 子显微镜和扫描电子显微镜在纳米测量中占有极重要的地位，其测量分辨率已经 分别达n o i - 0 2 n m 和0 6 - 3 o n t o ，被广泛用于表征、分析纳米材料和生物大分子 的微结构和性能。电子显微镜技术正面i 艋的突破性关键技术包括，影响电子显微 镜分辨率的电磁透镜球差系数补偿技术、高亮度场发射技术及能量过滤技术、发 展x 射线能量色散谱仪和电子能量损失谱仪、电子衍射、低温和环境试样室等技 术【1 2 1 。 第二个途径则是创造新的测量技术、建立新原理和新方法。1 9 8 4 年b i n n i g 和r o h r e r 发明的扫描隧道显微镜( s t m ) ，为人类在原子级和纳米级水平上研究物 质表面原子、分子的几何结构及与电子行为有关的物理、化学性质开辟了新的途 径。迄今为止，在s t m 基础上发展起来的原子力显微镜( a f m ) 、电化学扫描隧道显 微镜、磁力显微镜等统称为扫描探针显微镜( s p m ) ，作为纳米测量技术强有力的 工具推动了纳米测量学的发展。近场光学显微镜( s n o w ) 、光子扫描隧道显微镜 ( p s t m ) 以及各种谱学分析手段与s p m 结合的新纳米测量技术已经相继出现，成为 纳米测量技术的研究热点，推动了纳米测量学的发展【协1 4 1 。 目前用于纳米测量的主要有光学干涉仪、计量光栅、电容传感器、电感传感 器以及扫描探针显微镜( s p m ) 等 i5 - 1 8 】，下面将对这些方法分别加以介绍。 第一章绪论 一、扫描探针显微测量技术1 1 9 h 2 0 1 扫描探针显微镜( s c a n n i n gp r o b i n gm i c r o s c o p e ，又称为s p m ) 是通过探测样 品与探针之间存在的各种相互作用所表现出的各种不同特性来实现测量的。依据 这些特性，目前己开发出各种各样的扫描探针显微镜s p m 。就测量表面形貌而 言，扫描隧道显微镜( s t m ) 和原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，又称为 a f m ) 最为人们熟悉和掌握。 s t m 的基本原理是基于量子隧道效应，当金属探针与被测表面非常接近( 几 个埃) 时，在探针与表面的间隙中出现隧道电流，电流强度与间隙大小有关。当 探针沿被测表面移动时，驱动装置控制探针上下移动使隧道电流保持不变，保证 间隙锁定，那么探针上下移动量便反映了被测表面的轮廓。 s t m 在纵向和横向都具有极高的分辨力，其纵向分辨力达0 0 1 n m ，横向分辨 力达l n m 。s t m 极高的纵向和横向分辨力，使其成为极具吸收力的微结构表 面测量仪器。然而s t m 的纵向和横向测量范围都很小，横向测量长度一般在几 微米或几十微米量级，因此s t m 的使用局限于超微细、超光滑表面的测量。此 外，s t m 的结构和控制复杂，涉及的技术难度大，如针尖的制作、针尖表面间 隙的控制以及运动件的精密控制等都是一些棘手的难题。 a f m 的基本原理是基于探针与样品之间的原子相互作用力，探针置于悬臂 梁上，利用光学杠杆法测出悬臂梁在原子力作用下的变形，便可测出被测表面的 形貌。a f m 有两种型式，一种是接触式测量。接触式测量的接触力极小，典型 的为1 0 。7 到1 0 0 1 n ，其主要由两部分组成：一部分是由各种原因( 如样品表面的 张力、样品表面上的电荷等) 引起的样品和探针之间的吸引力，另一部分是在吸 引力作用下探针沿样品表面扫描时出现的摩擦力。接触式a f m 的接触力尽管很 小，但在有些应用中仍是不允许的，因此又出现了一种非接触式a f m 。非接触 式a f m 的工作原理是基于这样一种现象，即当样品表面与探针处于似接触没接 触状态时，探针的振动幅度变小并同样品表面与探针之间的平均距离成正比。 a f m 具有极高的纵向分辨力，可达o o l n m ，但横向测量长度很小，仅达到l o u m ，因此a f m 常被用来测量线条的宽度，较少用于测量表面形貌。 二、激光干涉法 随着2 0 世纪6 0 年代激光器的出现，由于其良好的相干性和频率稳定性，激 光干涉测量法迅速发展，多种激光干涉系统相继问世。激光干涉测量法具有测量 分辨率高、精度高、测量范围大、溯源简单等许多优点，成为现代几何量精密测 量的重要手段，被广泛应用于精密测量领域。典型的可用于纳米测量的激光干涉 系统有： 1 、外差干涉仪 第一章绪论 塞曼效应的双频 激光干涉仪的光学系 统如图1 1 所示：加上 轴向磁场的氦氖激光 管，由于塞曼效应激光 器发出一束有两个频 率的左旋和右旋偏振 光f l 和龟，它f 门的频率 图1 - 1 基于塞曼效应的双频激光干涉仪 差大约是1 5 m h z ；双频激光束通过1 4 波片后，变成两路相互垂直的线偏振光； 光束经扩束器后，被分束镜b 1 分为两部分：其中一部分被反射到检偏器上作参 考光束，检偏器的主截面方向与两互相垂直的线偏振光成4 5 。，根据马吕斯定 律，这两束互相垂直的线偏振光在检偏器p 1 主截面上的投影产生拍频，此拍频 是激光器所发出的两个光频的差值，即v 】v 严1 5 m h z ，拍频信号由光电探测器 d 1 接收，进入前置放大器后送入计算机。另一束光透过分束镜沿原方向射向偏 振分束镜b 2 ，偏振方向互相垂直的线偏振光v1 和v 2 被分开，其中v1 反射至参 考角锥棱镜m 1 ，v2 透过偏振分束镜到测量角锥棱镜m 2 ，若测量镜以速度1 3 运 动，则由于多普勒效应，返回光束的频率将变为v2 av ，这束光返回后重新 通过偏振分束镜，并与频率为vl 的返回光会合，然后被直角棱镜m k 反射至主 截面4 5 。放置的检偏器p 2 上产生拍频。拍频信号的频率为v1 ( v2 av ) ，拍 频信号被光电探测器d 2 接收后进入前置放大器，经过放大后也送至计算机。计 算机接收来自d l 和d 2 的这两路信号后进行同步相减便得多普勒频移v ， 最后经过倍频和累积计数，求出测量角锥棱镜m 2 的位移。 外差干涉仪最初是为了解决直流漂移而发展起来的，其技术已经比较成熟， 应用也较为普遍。除了能满足大范围高精度的测量需求外( 现在的外差干涉仪在 数十毫米范围内都能保持高的测量精度，有的测量距离已大于6 0 m ) ，其测量速 度也很快( h p 公司的产品5 5 2 9 ，其测量速度已达到7 0 0 m m s ) 。n o h - b i ny i m 等人通过结合高速运动时的多普勒频移相位计数和对动镜在开始与结束时的相 位进行精密捕捉，所得到的外差干涉仪能以6 m s 的速度进行测量，具有0 1 n m 的测量精度【2 l 也5 1 。 2 、偏振干涉仪 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制了一种新型单频激光干涉 系统 2 6 - 2 玎，通过偏振分光器以及1 4 波长片等光学器件对干涉条纹进行空间移相， 提取相位依次相差9 0 。的三路干涉输出信号，进行比较放大，解决了常规单频激 光干涉仪中的光强“零漂”问题。利用共模抑制技术，提高了干涉系统的测量稳 第一章绪论 定性和重复性。采用光程差放大技术，提高了干涉系统的分辨力。 接 l 绩 3 ，4 渡 ， r 。 蝴i “4 s 一 慢轴 ，善 图1 - 2 系统光路图l - 3 透光釉方位 干涉系统采用迈克尔逊双光束干涉原理，如图1 - 2 所示。采用波长为6 3 2 8 n m 的稳频h e - n e 激光器，功率为4 m w 。分束部分由p b s 3 和直角棱镜4 组成。合束部分 由1 2 波片1 1 ，直角棱镜1 2 和b s l 3 组成。偏振光移相由1 4 波片( q w p ) 1 5 和p b s l 6 完成。激光器l 发出的单模线偏振光经扩束淮直系统2 后变成平行光束，经分束部 分变成两束振向相互垂直的两束线偏振光，测量光束( s 光) 经过1 2 波片5 变为p 光，透过p b s 6 、t 4 波片7 ，变为圆偏振光，被测量反射镜9 反射后再次经过1 4 波片7 ，圆偏振光变为线偏振光，振向改变9 0 。变为s 光，在p b s 6 分束面上被反射 入角锥棱镜1 0 ，在角锥棱镜中三面反射后振向不变按原方向反射至u p b s 6 分束面， 再次被反射入1 4 波片7 、测量反射镜9 ，又两次经1 4 波片7 后变成p 光，返回后透 过p b s 6 成为包含有测量光程n 的测量光束。参考光束重复测量光束的传播过程 ( 所不同的是被参考反射镜8 反射) ，透过p b s 6 后成为包含参考光程乃的参考光束。 参考光束经过1 2 波片1 1 变为s 光，然后与测量光( p 光) 在b s l 3 汇合，一部分经偏 振片1 4 后产生干涉图样1 ，另一部分经过1 4 波片1 5 ，波片快慢轴方位如图1 3 ， 两线偏振光变为旋向相反的两圆偏振光。两圆偏振光入射到p b s l 6 ，由p b s 的性 质知，光矢量沿x 方向的p 波分量透射形成干涉图样2 ，光矢量沿y 方向的s 波分量 反射形成干涉图样3 ，这样干涉仪便可获得0 。，9 0 。和9 0 。三路位相依次相差 9 0 。的光干涉信号。经光电接收器接收并放大后，使0 。和9 0 。，0 。和9 0 。信 号分别输入两个比较器电路，生成两路错相9 0 。的交变方波信号。在干涉测长中， 共光路布局中的非共模量难以补偿1 2 配圳。例如空气湍流、机床油雾和切削屑等环 境因素在测量光路对测量光束光强的影响，而此种干扰对于三路信号的影响是相 同的，在比较电路中属共模量，从而在比较器中被有效抑制。实验表明，该系统 测量分辨率为2 n m ，标准差为0 0 5 # m ，测量范围为1 0 0 m m 。 3 、法布里珀罗干涉仪 中国计量科学研究院借助碘稳频激光器和h e - n e 激光器构成的拍频系统以 及折叠法一珀干涉仪完成了纳米级微位移测量。干涉仪系统原理图如图1 4 所示。 开始工作时，开关s w i t c h 由p c 控制为打开状态。途中三2 是工作激光器，它发出的 光经偏振分光镜b s 2 分为两路，一束光经偏振片和准直镜后进入由m 、组成的 第一章绪论 折叠腔法一珀干涉仪，其中m 2 放置于弹性工作台e b 上，由压电陶瓷p z t l 驱动。 光电探测器d 2 接收干涉仪的输出信号，经前置放大器p a 2 、锁定放大器，到达开 关s w i t c h 。微机调节d a 2 的输出电压，通过高压放大器h v a 后驱动p z t 2 来改变激 光器l2 的腔长，使法一珀腔的透过功率最大。此时锁相电路匕l , l o c k i n 的输出为0 ， 微机通过控制开关s w i t c h 为闭合状态使回路闭合，此后锁相电路自动调节输出控 制加在p z t 2 上的电压，使法一珀腔的透过功率最大，从而将激光器l 2 的工作频率 锁定于法一珀腔上。l l 是6 3 3 n m 的碘饱和吸收稳频h 旷n e 激光器，它发出的光与 工作激光器的另一束光进行拍频，通过雪崩光电二极管d 1 和前置放大器p a l ，由 频率计f c 读出。 h e - n e 激光器的调谐范围很 有限，如果测量的是比较大的范 围，并且需要进行连续测量。当 激光器跟踪卜- p 腔的透过峰变 化，以至频率超过单模工作区的 范围时，会发生跳模，引起拍频 值的紊乱，使干涉仪不能正常工： 作；即只能在激光器的一个单模 工作区的范围内工作。因此，清 1 * 一+ ”1 图l - 4 微位移测量法珀干涉仪 华大学精仪系在其基础之上，通过采用换膜锁定的方法，摆脱了测量范围受单一 干涉级次的限制。实验表明：在1 7 9 m 的测量范围内，该系统的测量不确定度优 于2 n m 【3 m 3 5 1 。 4 、合成波长干涉仪 浙江大学提出了一种新颖的 基于合成波长条纹细分原理的大 范围高精度的纳米测量方法。原 理如图1 - 5 所示。这里用了两套 迈克尔逊干涉系统。由分光镜b s 、 参考镜m 。、测量镜m ：组成了一套 干涉系统，称为测量干涉仪；而 图l - 5 基于合成波长条纹细分原理的纳米测量系统 由b s ，m ，和偏振分光镜p b s 组成了另一套干涉系统，称为参考干涉仪。五和五是 由h e - n e 激光器发出的偏振方向互相垂直的两偏振光。元仅在参考干涉仪中产生 干涉，厶仅在测量干涉仪中产生干涉。使用光电探测器d ，d 2 ，d 。和d 4 接收干涉 信号。通过计数整数条纹，并保持在两干涉仪中信号的相位差恒定，就可得出被 测长度 3 6 - 3 7 。 第一章绪论 5 、光学纳米测量亟待解决的问题及发展趋势 构造光学干涉系统仅仅是纳米测量过程中一个很小的步骤，而建立相应的纳 米测量环境一直是实现纳米测量亟待解决的问题。不同的测量方法所依赖的纳 米测量环境也是不同的，所以这是限制纳米测量技术通用化的瓶颈。目前的发展 趋势是建立一个合适的纳米环境，寻求新的测量原理和多种技术的综合应用 3 s a , o l a ( 1 ) 纳米环境的建立 分辨率达到l n m 的位移测量激光干涉仪系统已经研制成功并用于商业目的， 分辨率小于l n m 的干涉仪也正在研究之中【4 1 1 。但是，随着纳米技术的发展，分 辨率指标已经不能适于新的要求，人们的目标也向着实现纳米精度的方向前进。 要实现纳米精度，系统对环境的变化非常敏感，例如，空气的温度、湿度、压力 的变化，环境中的振动以及操作者引入的温度场变化和声学扰动等等都会给测量 带来极其不利的影响。因此，建立一个适合纳米测量的纳米环境是保证精度的一 个重要方面。纳米环境的建立方法是： 采用各种隔离措施，包括气浮式、电磁式和机械式隔振系统，一方面可以减小 外界振动对测量系统的影响，另一方面的作用是将测量系统的振动固有频率远离 振动源的频率，从而达到测量系统对振动“不 敏感的效果。 加入恒温室，保证环境温度的稳定，但是由于纳米测量系统一般还要求尽量扩 大测量范围( 几百微米到几毫米的范围) ，这对整个恒温室的温控要求过于严格， 例如，理论分析表明通光口径为5 m m 的k 9 玻璃元件，当温度变化1 k 时，光程 的误差为5 n m 一1 0 n m ，如果整个系统达到纳米的测量精度，整个恒温室必须保 证温度变化小于1 1 0 0 0 k ，这是不现实的，所以一般的纳米测量系统还带有二级 温控系统，以求在一个相对较小的范围内达到更高的温控精度( 一个典型的指标 为小于1 1 0 0 0 k ) 。 在要求大测量范围时，真空室也被广泛应用。可以认为，尽管真空室的使用极 大地消除了环境变化的影响特别是空气扰动带来的影响；但是另一方面，它也 往往限制了整个测量系统的应用范围，不大符合纳米测量的发展趋势。 另一重要方面是：在干涉仪系统的设计过程中注意分析各种误差因素，设计合 适的结构以克服环境的影响。 实现可以重复的线性测量是位移测量的根本目的。在实际测量系统设计中， 主要围绕测量的重复性、分辨率精度和动态范围三个指标。在纳米干涉仪设计 中应该注意遵循以的原则：共光路的系统；补偿原则；减小受影响的光路 原则；减少杂散光原则；交流调制放大原则。 ( 2 ) 测量原理的突破 第一章绪论 当我们的研究集中在与原于和分子的尺寸相当的纳米尺度时，许多宏观的原 理和物质的宏观性质已经不再适用。因此在纳米干涉仪的设计中迫切需要寻求新 的测量原理和方法。但是在光学计量测量领域，除了激光器的出现将计量学带入 一个新的纪元，还没有代表性的新的原理出现。其原因是：光学测量技术以大量 的物理学知识为背景，在整个物理系统已经接近完美的今天探索新的原理相对因 难；以迈克尔逊干涉仪为代表的光学测量系统经过近百年的研究和实践已经相当 成熟，很难有其它的干涉方法如此深刻地反映光的本质。所以在光学计量领域目 前做的最多的是：根据纳米测量的特点改造、进一步完善干涉仪原理和结构，使 之适于纳米测量的要求【4 2 都j 。 ( 3 ) 多种技术的综合应用l 掣】 随着高精度、实时动态测量要求的出现和不断提高，很多新的理论引入到测 量仪器的设计中：光、机、电与计算机技术的结合早已成为了仪器设计中常用的 手段；测量和控制技术成为一个完整的有机体；大系统的概念、人机工程学的概 念、模糊理论、自适应原则等融入现代测量仪器设计中。另外调制技术、调频技 术、反馈原理等在实践中已经很成熟的技术也有机地应用于仪器的设计中。 三、光栅测量法 + 采用光栅作为分光元件，通过衍射光束相干可以构成等光程干涉仪，且被测 位移不再影响光程差，测量的基准也由波长变成了光栅常数。影响测量精度的多 种因素变成了只有光栅温度这一项，显著地改善了测量的稳定性。过去一直认为， 虽然光栅测量技术有诸如结构简单、易于数据处理、对环境要求低、便于仪器化 等许多优点，但它的测量精度不够高。近些年来，随着激光光栅干涉测量技术的 不断发展，测量精度已经达到了纳米量级。 天津大学精仪学院研制的光栅纳米测微仪 是一种新的光栅位移传感器，其外形小巧，类 似于普通车间中常用的数显百分表和千分表， 装卡和使用方法也类似，非常灵活；但是它具 有纳米级的测量能力，功能上分为粗测和精测 两档。粗测档具有l o m m 的测量范围，分辨力 l o n m ，由于粗测量程较大，使用非常方便；精 测档在5 0 0 n m 2 5 0 0 n m 的小范围内可以达至u 2 n m 的测量分辨力，适合应用于纳米测量。光栅纳 米测微仪的机械和光学结构如图1 - 6 所示，采 用的是典型的透射型光栅测量系统，其工作原 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 l o 9 理是：测头8 的位移通过由轴承1 、6 、导向杆9 、1 6 及防转杆3 组成的精密导 9 第一章绪论 轨传递给标尺光栅1 5 1 标尺光栅1 5 和四裂相指示光栅1 3 组成光栅副，光栅副及 光源4 、准直透镜1 4 、光电接受器1 2 共同组成光电莫尔条纹信号系统；莫尔条 纹信号经过电子信号处理系统进行细分、辨向和计数，最终得出系统的位移值并 输出f 4 刀。 四、x 射线干涉仪 x 射线干涉仪是1 9 6 5 年由b o u s e 和h a r t 发明的，最早x 射线干涉仪一直用 于阿佛加德罗常数的确定。1 9 6 8 年，h a r t 发现完整晶体和晶格可作为具有埃分 辨率的测量仪器“埃尺 对微小位移进行测量。直到1 9 8 3 年，英国人 d g c h e t w y n d 才开始将其用于微位移测量，其测量精度可达l o o p m ，测量位移达 到l o o n m 。目前，英国、德国、日本、美国等国家都开展了扫描x 射线干涉测量 系统的研制工作。 ，s x 射线干涉长度测量的基本原理 如图1 - 7 所示，当其中一块晶体相对其 它两块晶体移动时，输出光( 0 光或h ? 光) 的强度会按周期性正弦规律变化， 。 且晶体每移动一个晶面间距，输出光图1 7x 射线干涉原理 强就变化一个周期，而与x 射线的波长无关。这样通过计算接收信号的周期数， 乘以相应的晶面间距，即可得到晶体移动的微位移的大小。如果利用( 2 2 0 ) 晶面 作衍射面，以其晶面间距( 0 1 9 2 n m ) 作为基本测量单位，那么就很容易实现纳 米精度的测量。 英国w a r w i c k 大学微细工程与测试中心研制的x 射线干涉仪采用单晶硅整体 式设计，干涉仪和弹性微动机构由同一块硅制成，实现l o o u m 的微位移量，利用 它可以实现纳米级位移传感器的校正，其测量分辨率可达5 p m 。 一 目前，意大利的i i 讵g c 、德国的p t b 和英国的n p l z 家研究机构共同开发了一套 光学和x 射线组合系统( c o x i ) ，以实现对纳米级位移传感器的校验，对于l oum 范围的位移，其测量精度为l o p m ；对于1 毫米范围的位移，其测量精度为 10 0 p m 4 8 _ 5 1 1 。 五、电容和电感测微法 这两种测量方法都是传统的精密的非电量的电测方法，其基本原理就是将长 度或位移的变化转化为电感或电容量的变化，然后通过电路进行检测。随着技术 的发展和进步，这两种测量方法都在向纳米领域靠近。目前电感测微法的测量分 辨率为0 2 5 n m ，电容测微法的测量分辨率为0 0 0 1 n m 。与其他的纳米测量方法相 比较，这两种方法测量原理更单纯、结构更简单，因而也是非常有用且使用方便 的纳米测量手段。 1 0 第一章绪论 1 3 纳米级压电驱动技术 压电屯致伸缩陶瓷微位移器具有体积小、输出力大、精度及位移分辨率高 和频率响应高的优点，已达到实用化阶段，是目前纳米驱动技术中的理想徽位移 器件，因而得到国内外的高度重视。对于目前的半导体生产工艺曝光过程中掩模 板与硅片的对准：高精度定位仪器如s t m 、a f m 的探头对准；以及光学领域x y z - - - - - 维移动平台：光纤耦合端；微米细流驱动器；纳米级粒子操纵；高密度存储器磁 头定位器等有着广泛的应用。在纳米技术、微机电系统、通讯传感技术、半导体 技术、光电子技术、微生物技术以及航空航天技术领域都存在广阔的应用市场。 自压电陶瓷的电致伸缩性能发现以来，前苏联k i e vp o l y t e c h n i c 研究所的 vv l a v r i n e n k o 最早开展压电陶瓷马达研究工作，他在1 9 6 4 年研制出世界上第一 个压电陶瓷旋转马达。从1 9 6 9 年到1 9 9 0 年乌克兰k a u n a s 大学的v i b r o t e c h n i k a 研 究中心和俄罗斯列宁格勒科学技术研究所进行了大量的研究工作【5 2 】。b u r l e i g h 公司在1 9 7 5 年申请了第一个压电陶瓷马达的美国专利，这种线性步进马达的驱动 机理是根据仿生尺蠖的运动形态获得，因此被称之为微尺蠖。一般可以根据驱动 原理来对这类马达进行分类：驻波马达、行波马达、蠕动仿生马达等。 一、微尺蠖仿生线性马达口删 高精度位移定位马达很多 都是根据尺蠖的仿生原理来驱 动马达线性位移，这种马达最 少使用三组压电晶体，连接成 “工”字形状，前后两组作为 夹具用，分时夹住滑