（电工理论与新技术专业论文）等离子显示器屏板全自动精密定位系统的研究.pdf

南京师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fp r e c i s i o np o s i t i o n i n gp l a y sap i v o t a lr o l ei nt h ep r o d u c t i o no f t h es h a d o w m a s kp l a s m ad i s p l a yp a n e l ( s m p d p ) ，a n dm a k e si tp o s s i b l et h a tt h e s m - p d pc a l ld i s p l a yg o o di m a g e s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ef u n d a m e n t a l t h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g yo fp r e c i s i o np o s i t i o nd e t e c t i o na n dp r e c i s i o np o s i t i o n i n g b a s e do nl a s e rm o l t 6s i g n a l s t h ea d v a n c e si np r e c i s ed e t e c t i o na n dp o s i t i o nh a v e a l lb e e ne n a b l e db ya p p l y i n gt h et e c h n o l o g yt oi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i s p l a c e m e n to fd o u b l ed i f f r a c t i n gg r a t i n g sa n dt h e i n t e n s i t yo fm o i r 6s i g n a li ss t u d i e db ya p p l y i n gt h e o r i e so fp h y s i c so p t i c sa n df o u r i e r o p t i c s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo fl i n e a rd i s p l a c e m e n tm e a s u r eb a s e do nt h em o i r 6 s i g n a l i s e s t a b l i s h e d , a n dc o m p u t e r - s i m u l a t e dp a t t e r nc h a n g e sa r co b t a i n e d t h e f u n d a m e n t a lt h e o r yo fp r e c i s ep o s i t i o n i n ga n db a s i cr u l eo fp r e c i s ep o s i t i o n i n gw e r e e x p l o r e d t h er e s e a r c hr e s u l t sw e r ea p p l i e dt od e v e l o ps m p d pp r e c i s i o np o s i t i o n i n g d e v i c e t h ec o m p u t e rc o n t r o l l e da l i g n m e n td e v i c ec a na c h i e v eh i g h a c c u r a c yp o s i t i o n d e t e c t i o na n dp r e c i s ep o s i t i o n i n gu s i n gc c da n dl a s e r - m o k ds e n s o r s t h em e c h a n i c a l d r i v es y s t e mo ft h ep r e c i s i o np l a t f o r mi sc o m p o s e do fs t e p p i n g - m o t o ri nm i c r os t e p m o d ea n dp r e c i s es c r e wd r i v es e t ，w h i c hc a nt r a n s l a t es m a l lr o t a t i o n a lm o v e m e n ti n t o s u b - m i c r o nl e v e ll i n e a rm o v e m e n t t h ef i n a la l i g n m e n te r r o ri sm a i n l ye l i m i n a t e d t h r o u g hc o m p u t e rc o n t r o l l e dc l o s e dl o o ps oa st oa l i e n a t et h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n t s o ft h em e c h a n i c a ld r i v es y s t e m o nt h es m p d pp r e c i s i o np o s i t i o n i n gd e v i c e ，t h e p r e c i s ep l a n ep o s i t i o n i n gt e c h n i q u ew a ss t u d i e d t h eb e s tc o n t r o ls t r a t e g yo fp r e c i s e p l a n ep o s i t i o n i n gi sd e v e l o p e db ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np l a n ep o s i t i o n s a n dc o r r e s p o n d i n gm o i r 6s i g n a l s o nt h i sc o n t r o ls t r a t e g y , t h ea l i g n m e n td e v i c ec o u l d r e a l i z ex y 一8t h r e e f r e e d o mf u l la u t o m a t i cp r e c i s i o np l a n ep o s i t i o n i n gs ot h a ti t c o u l da c h i e v ea u t o m a t i cp r e c i s i o np o s i t i o n i n go ff r o n ts u b s t r a t u m ，s h a d o wm a s ka n d b e h i n ds u bs t r a t u m ，t h ef i n ea l i g n m e n ta c c u r a c yc o u l db e 靴m k e y w o r d ：p r e c i s ep o s i t i o n i n g ，d i f f r a c t i o ng r a t i n g ，m o i r 6s i g n a l ，s m p d p 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：二监 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 交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。 作者签名：亟i 锰 日 期：丞遨! ! 立= 南京师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 是一种利用气体放电的显示装置，这种技术采 用等离子管作为发光元器件，大量的等离子管排列在一起构成屏幕。每个等离子 管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和彩色的 图像。p d p 作为自发光型显示器件，具有体积小、重量轻、亮度高、色彩还原性 好等特点，因而更加适合于大屏幕、高分辨率单色与彩色显示，目前p d p 显示 器正逐渐形成显示市场中的主流产品。2 0 0 5 年起，全球对p d p 的需求量超过4 0 0 万台年，而中国大陆对p d p 的需求量则将超过5 0 万台。随着国内普通电视机 市场的日趋饱和，c r t 彩电的市场规模将逐步缩小，而p d p 的市场规模将迅速 扩大，2 0 0 5 年我国p d p 的市场规模将近达到c r t 彩电的5 0 。尽管p d p 的成 本目前仍然较高，但是对p d p 的需求量却急剧增长，在国内市场上p d p 目前已 处于供不应求状况。而国外各p d p 生产厂家都在瞄准我国这个庞大的市场，纷 纷要求独资在我国建厂生产和销售p d p 以获取巨大利益。因此，我国急待发展 我国自己的p d p 产业链，适应国家经济发展和市场需求i ”l 。 目前，彩色交流p d p 的大规模生产在技术上仍存在着一定困难，主要有两 个关键技术还未能完全解决。一方面是发光效率不高，另一方面是生产工艺过程 复杂，生产成本过高，因而市场发展受到了一定的限制。东南大学显示技术研究 中心目前提出了一种完全具有自主知识产权的新型全彩色荫罩型等离子显示器 ( s m p d p ) ，与现有p d p 相比，该显示器在结构上和驱动方法上都做出了重大 创新，简化了生产工艺，大幅度降低了生产成本，具有成本低、亮度高、对比度 高、分辨率高的特点，可以做大屏幕( 4 2 英寸以上) ，也可以做中小尺寸屏幕( 1 4 英寸4 0 英寸) ，在h d t v 、数字显示、台式计算机显示终端等领域具有极其广 泛的应用和市场前景。荫罩式等离子显示器( s m p d p ) 将为我国p d p 产业实现 跨越式发展开辟一条重要的技术途径。 随着荫罩式p d p 显示器实用化研究的深入发展，必然地对自动化生产关键 装备提出了新的要求。国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题荫罩式p d p 显示器自动化生产装备课题将以规模化生产为目标，重点解决荫罩式p d p 的前 基板、荫罩、后基板的精密对准问题，并开发出专用设备。为具有自主知识产权 的荫罩式p d p 显示器的开发、应用和产业化等工作提供技术支撑。 本课题为国家“8 6 3 ”计划的荫罩式p d p 显示器自动化生产装备课题的子课 题，主要研究解决p d p 封接过程中的关键技术前基板、荫罩、后基板三者 之间的精密自动定位，研究探讨精密定位的理论方法及技术实现，解决精密自动 南京师范大学硕士学位论文 对板中的一些关键技术。目前，荫罩式p d p 显示器制作过程的对板，主要是人 工在显微镜下观察荫罩网孔与基板电极线的对准情况，通过手工调节，消除误差， 来达到要求的定位精度，这种方法不仅生产效率低，而且定位精度也难以得到保 证，严重制约着荫罩型p d p 生产线的自动化水准，成为提高产品质量与产量的 瓶颈。因此，实现自动化精密定位，是荫罩式p d p 平板显示技术大规模产业化 的必然要求。 1 2 精密定位技术的发展现状 精密定位技术广泛应用于半导体器件制造、精密加工、高清晰显示器件、微 电子制造等领域，涉及到光电检测、精密测量、精密机械、计算机应用、自动控 制等多门学科，是重要的基础性技术之一。精密定位的研究始于上世纪7 0 年代 初，随着研究的不断深入，定位的精度不断提高，目前已经达到纳米级甚至亚纳 米级【4 】。 精密定位系统主要包括两大关键技术：精密位置测量技术和精密驱动技术。 1 2 1 精密位置测量技术的研究现状 高精度位置检测技术是实现精密定位的关键，它实时地将位置信息反馈给定 位系统，驱动定位台，实现精密定位。目前，能够进行纳米级高精度测量的方法 主要有：非光学方法和光学方法两大类。前者包括：s p m 法、电学测微法；后 者则包括：x 射线干涉仪法、激光干涉仪法和光栅检测等方法。 1 、非光学精密位置测量技术 ( 1 ) 扫描探针显微镜( s p m ) 1 9 8 2 年i b m 公司的g 【b i n n i n g 等人研制成功扫描隧道显微镜s t m ( s c a n n i n g t u n n e l i n g - u n i tm i c r o s c o p e ) 以来，为人们观察纳米级表面的几何形貌提供了强 有力的工具，随后又陆续出现了一系列新型的扫描探针显微镜，例如，原子力显 微镜a f m ( a t o m sf o r c em i c r o s c o p e ) ，磁力显微镜m f m ( m a g n e t i cf o r c e m i c r o s c o p e ) ，扫描电容显微镜s c m ( s c a n n i n gc a p a c i t a n c em i c r o s c o p e ) ，激光力 显微镜l f m ( l a s e rf o r c em i c r o s c o p e ) 等，它们统称为扫描探针显微镜( s p m ) ， 这些仪器可以实现原子级或亚原子级的位移测量和定位，可观察原子的尺度结 构。其缺点是工作范围均很小，一般为几个微米，要使s p m 在科研和工程中得 到广泛应用，必须扩大其工作范围至几十甚至上百个微米【5 1 。 ( 2 ) 电学测量技术 电容传感器是近年来发展较快的用以测量微位移的方法之一，早在1 9 1 0 年 就有用电容原理测量微位移的。1 9 2 0 年，超测微计问世，它已能分辨电极间距1 埃( 1 0 1 0 m ) 的变化。目前，用三端电容传感器己可测出5 x1 0 5i im 的微位移，较 2 南京师范大学硕士学位论文 好的稳定性为每天漂移几个1 0 一m m ，其线性优于0 5 。 电容式测量微位移的原理较简单，设z 为两极板间距，s 为极板有效面积，f 为空间介质的电导率，则有c e s x 。当极板间距z ( i - 下相对位置) 变化，或 两极间面积s ( 左右相对位置) 变化时，电容c 就变化，此变化与s 成正比，与 x 成反比，所以根据电容的变化量就可确知微位移量的大小。北京机床研究所采 用该技术研制了超精密振动位移测量仪，可精密测量机械振动和机械位移，其最 高分辨率2 a m ，最大测量范围3 0 0 a n1 6 - 7 。 电学测量技术的显著特点是分辨率高，简单易用，成本比较低，但量程比较 小，在纳米级分辨率的测量中，至今仍未见到量程大于1 r a m 的报道。 2 、光学精密位置测量技术 ( 1 ) c c d 图像测量技术 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 电荷耦合器件是2 0 世纪7 0 年代初发展起来 的新型半导体集成光电器件。它具有光电灵敏度高、空间分辨率高、动态范围大、 稳定性好、工作电压低等优点，因此c c d 器件在物体外型测量、表面检测、图 像传真、智能传感等方面得到了广泛的应用。基于c c d 图像测量技术是近年来 测量领域中形成的新的测量技术，它以光学为基础，融光电子学、计算机技术、 激光技术、图像处理技术等现代科技为一体，组成光、机、电、计算机综合测量 系统。已有很多学者在图像的边缘和位置精确检测方面做了大量的研究，通过计 算目标图像和模板图像之间的差异，来精确地确定目标位置。图像位置的精确测 量在目标定位、物体的精密对准及图像识别中均具有重大意义。 天津大学精密测试技术和仪器国家重点实验室采用c c d 图像检测技术实现 了电子网板高精度、全自动检测，系统尺寸检测精度优于11 tm 【蚋】。 ( 2 ) x 射线干涉仪 为了提高测长的分辨力，作为基准的波长越短越好。高压汞灯的i 线( 3 6 5 n m ) 或g 线( 4 3 6 衄) 以及准分子激光( 1 6 4 5 5 8 姗) 已开始用于大规模集成电路微细图 形的印制。这些波长比氦氖激光的6 3 3 n m 波长要短，但至多也不过短到其1 3 左右的程度，可以说相差并不大。纳米级的计量希望使用纳米级的波长，而x 射线的波长为0 4 r i m 左右，是适用的。因此以x 射线作光源，以晶体的晶格作 光栅制成的位移测量仪可实现高分辨率的位移测量。其分辨率可达0 0 0 5 n m ，测 量精度可达0 0 1 r i m ，测量范围为2 0 0 um 。 目前，英国、德国、日本、美国等国家都开展了x 射线干涉仪的研制工作， 都取得了不同程度的进展。国内清华大学测试技术与仪器实验室于1 9 9 7 年利用 自行研制的x 射线干涉仪在国内首次观察到x 射线干涉条纹【n l l 】。 ( 3 ) f p 干涉仪 法布里一珀罗( f a b r y - - p e r o t ) 干涉仪是效能很高的干涉仪，它采用多光束 3 南京师范大学硕士学位论文 干涉原理，可以得到明亮而清晰的干涉条纹，并且各亮条纹被广阔的黑暗背景所 隔开，十分便于精密测量。当f a b r y p e r o t 干涉仪两个相对的反射平面距离固定 时，称作f a b r y - - p e r o t 标准具，基于f a b r y - - p e r o t 标准具的位移测量技术，具有 极高的灵敏度和准确度，其测试分辨率和精度可达1 0 n m ，量程为5 n m ，最大 测量速度为5 一- , l o n m s 。燕山大学采用高稳定的单频h e n e 激光器作光源，采 用卜p 干涉仪，并把激光与计算机等技术结合在一起，使小位移测量的分辨率 达到1 0 以2 册，并进行在线检测。这对精密机械加工，微电子加工，压电材料及磁 致伸缩材料性能测定等技术水平的提高有很大的促进作用【1 2 l 。 f p 干涉仪的缺点是结构复杂，制造要求严格，调整困难。 ( 4 ) 双频激光干涉仪 双频激光干涉仪是一种精密的、多功能的激光检测仪器，它可以测量多种几 何量，如位移、角度、垂直度、平行度以及直线度、平面度等，其基本原理是利 用载波技术将被测物理量转换成调频或调相信号，经光电接收器件接收后再作解 调处理，从而得到所需的物理量。与单频干涉仪相比，它具有抗干扰能力强、测 量速度快、信噪比高、易于实现高精度、高分辨率等特点。 双频激光干涉仪是一种最常用的超精密位置测量装置，它以激光在真空中的 波长作为长度基准，可以达到纳米级的分辨率。但在实际测量过程中，激光束在 空气中通过时，其波长受气压、湿度、温度、c 0 2 浓度等环境参数的影响而发生 变化，从而使其测量精度降低。另外在布置光路时，不可避免的存在着阿贝误差 和余弦误差，进一步降低了测量精度。在通常的应用中，一般是通过实时测量空 气温度、压力和湿度等参数利用e d l e n 公式进行修正。因此激光干涉仪在使用中 需要许多高精度传感器对环境参数进行监测，这就大大增加了成本，使激光干涉 仪价格昂贵。1 1 3 】 ( 5 ) 激光三角测量技术 激光三角测量的测量分辨率也能达到纳米级，图1 1 显示的是这种传感器测 量原理图。 传感器测头位置敏感元件 图1 1 激光三角测量法原理图 在传感器测头中有一固体激光光源和一个位置敏感元件p s d ( p o s i t i v e s e n s i t i v ed e t e c t o r ) ，当激光束照射在被测物体表面时，光束反射回测头中的p s d 4 南京师范大学硕士学位论文 接收面，p s d 接收点的位置由被测物体与测头的绝对距离d 唯一决定。根据这个 原理，激光三角测量可以用来非接触测量位移、振动及位置偏差，两个测头组合 使用还可以测量薄片的厚度。该传感器的显著优点是安装方便，工作时测头与被 测件距离为几个厘米；不足之处是量程较小，只有几百微米【1 4 l 。 ( 6 ) 光纤传感测量技术 光电子与计算机技术的结合为新的测试方法开辟了一条新的途经，光纤传感 测量技术由此应运而生。它以光纤传感器为基础，将被敏感的状态以信号形式取 出，光信号不仅能被直接感知，而且还可以进行光电转换，以便检测，又因光纤 是低损耗的传输线，可以实现远距离检测。与传统的传感器相比，光纤传感器具 有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、电绝缘性好、防燃防爆等优点。国际上 对光纤传感器的研究与开发是7 0 年代重新活跃的，美国是最早开始研究光纤传 感器的国家之一。 反射式强度型光纤传感器是一种检测距离的光纤传感器，其基本工作原理如 图1 2 所示。整个传感器系统包括光源s 、光纤传感头和光电接收器d ，光纤传 感头由发射光纤( 输入光纤) 和接收光纤( 输出光纤) 组成。当光源输出功率保 持不变时，接收光纤接收到的光强与光纤探头与反射面间的距离存在着一定的对 应关系，根据检测到的光强信号，便可得出被测距离的大小，从而达到测量位移 的目的。光纤位移传感器测量时的光耦合原理及典型输出信号曲线如图1 2 ( b ) 豢 光源s 输入光纤输出光纤 妇 光电转换d ! 光纤 - _ 、 ，一_ 一 e = ： ： 一 _ r 一 一 _ 。 r 一一囊 ；： b 、b套疃孵 冉 一 ： ：_ o 光纤 锄运 也 避毯 ：竹： 毪运 疆 前坡 、 后|e 呆 夕 擎 、 辎 a ，t b j 图1 2 光纤位移传感器工作原理与输出信号图 所示，接收光强随着距离的增大而增大，在达到某一距离处又开始减小。前坡段 灵敏度较高，线性度较好，可用于微小位移的非接触测量，但量程范围较小。强 度型位移光纤传感器很难达到高精度，主要原因在于这种传感器测量的是绝对光 强，它对光源、光纤以及其它系统元件存在的特性变化非常敏感。在采用补偿和 调制技术抑制以上各因素的影响后，可大大提高传感器输出的稳定性，并提高精 度陋1 6 1 。 光栅式位移测量 在相当长的时间内，光栅仅被天文学家和物理学家作为衍射元件用于光谱分 5 南京师范大学硕士学位论文 析和光波波长的测定等工作。将光栅应用于长度计量和机床数控等领域，则是上 世纪五十年代后的事。1 9 5 3 年，英国f e r r a n t i 公司的爱丁堡实验室建立了第一个 利用莫尔条纹系统测量位移的工作样机，并取得了专利。其后，g u i l d j 和b u r c h j m 等人对交叉光栅形成莫尔条纹的理论及其应用作了较为系统的研究。近二三 十年以来，随着高精度、低成本照相光栅的开发，光栅刻制技术和电子技术的迅 速发展，莫尔条纹细分技术的逐步完善，光栅技术在计量测试领域有了进一步的 发展并取得了广泛的应用，光栅技术已广泛地应用于精密位移测量、角度测量。 一般认为，光栅式测量具有以下特点： ( 1 ) 高精度。光栅式测量装置在大量程测量方面精度略低于双频激光干涉 仪；而对要求整圆范围内高分辨率的圆分度测量来说，光栅测量原理与 其他原理相比，是测量精度最高的方法。 ( 2 ) 具有较强的抗干扰能力。与激光干涉仪相比，对环境条件的要求较低。 ( 3 ) 具有较高的测量速度。 ( 4 ) 与干涉式测长仪相比，光路结构简单，调整难度小。应用光栅时一般不 需要透镜组等复杂的光学系统，却能获得很高的放大倍数。 ( 5 ) 从光栅传感器获得的莫尔条纹信号，综合了数字和模拟系统的特点。 ( 6 ) 非接触测量，无磨损，寿命长，可长期保持光栅精度【1 7 。1 引。 光栅式位移测量技术应用于精密定位是上世纪六十年代，随着半导体集成电 路制造技术的大力发展，激光光栅定位技术在半导体制造设备中开始得到应用。 1 9 7 2 年，m c k i n g 和d h b e r r y 首先将莫尔传感技术应用于掩膜制版的定位控 制中，利用圆光栅产生莫尔信号，并将对应莫尔光强最小的位置作为定位点，其 定位精度达到0 2 o n1 2 0 l 。1 9 7 7 年，d c f l a n d e r 和h 1 s m i t h 利用两块衍射光栅 产生的+ 1 次和一1 次光作为控制信号，进行精密定位，定位精度为2 0 纳米，该 方法存在的缺陷是两光栅间隙无法进行调整，因此需要精密设置【2 1 1 。1 9 8 5 年服 部和内田利用衍射光栅产生的零次莫尔信号作为精密定位的控制信号，并将对应 莫尔光强最大的位置作为定位点，其定位精度可达纳米级瞄l 。1 9 9 5 年，东南大 学刘京南教授和日本爱知工业大学内田悦行以零次激光莫尔信号为控制信号，采 用压电陶瓷驱动机构，进行精密定位，直线定位精度为4 n m 。2 4 j 。 激光干涉仪存在的缺陷是测量精度受测量环境的影响，且价格昂贵。而在光 栅测量系统中，光程变得很小，被测位移只是使光程差在很小的范围内波动，测 量的基准也由波长变为光栅常数，影响测量精度的因素主要是光栅的刻制误差和 测试温度，显著改善了测量的稳定性。因此，光栅技术在精密位移测量中得到了 广泛的应用。利用光栅技术进行精密定位是当今世界采用的一种高新技术。 6 南京师范大学硕士学位论文 1 2 2 精密驱动技术的发展现状 在精密位置测量的基础上，还需要选用合理高效可靠的驱动机构来实现精密 定位。驱动机构的精度、效率、行程、可靠性等指标将直接影响定位的精度与效 果，也是定位成功的关键性因素之一。能实现微米、亚微米甚至纳米级的驱动器 称为微驱动器，按照其驱动机理来说，可以分为机械式和机电式两大类【2 5 2 6 1 。前 者包括滚珠丝杠驱动、摩擦驱动等；后者包括电磁式驱动、压电驱动、直线电机 驱动等。 1 、机械式驱动方式 ( 1 ) 滚珠丝杠驱动 滚珠丝杠传动是精密定位常规的驱动方式之一，这种方式由于结构简单、安 装维护方便等优点，在精密定位中得到了广泛的应用。据统计，有三分之一的各 类超精密机床采用了滚珠丝杠作为伺服进给机构，超精密机床中使用的滚珠丝杠 一般为c o 级。长春光机所曾采用滚珠丝杠传动机构，设计了一种精密定位装置， 其直线定位精度为0 8 # m1 2 7 1 。 滚珠丝杠定位系统的缺陷是由于螺纹空程和传动摩擦的存在，其定位精度一 般只能达到微米级，要实现亚微米甚止纳米级的超精密定位，必须寻求特殊的驱 动和传动方式。 ( 2 ) 摩擦驱动 合理有效地利用物体间的静摩擦力进行驱动，也可以实现精密定位。其运动 原理是当摩擦轮转动时，通过摩擦轮与摩擦杆之间的静摩擦力带动摩擦杆沿着摩 擦轮的切线方向运动。 c h a o 等人设计了利用气体支撑的一维摩擦轮驱动定位台。定位台在5 0 n m 、5 0 0 h m 和l o m m 的步进运动方式下，定位精度均优于1 5 n m 。m e k i d 研制的一 维摩擦驱动定位台重l o o k g ，通过液压支撑，定位台的行程为2 2 0 m m ，直线定位 台的定位精度可达1 6 n m ，最大速度为l o m m s i 矧。 i b m 公司设计了利用三个摩擦轮驱动的x y 0 定位台，用于电子束光刻。通 过连接在同一定位平台上的三个摩擦杆运动的合成，定位台在x 、y 和0 方向分 别具有2 6 0 r a m 、2 1 0 r a m 和0 r 的行程，最大速度可达2 5 0 m m s ，定位精度为 0 0 4 1 a m 。 摩擦驱动带负载能力强，有较高的运动精度和较大的直线运动范围，但结构 复杂，不易小型化。 2 、机电式驱动方式 ( 1 ) 电磁式驱动 电磁式驱动是利用电磁线圈产生的电磁吸附力对定位台进行驱动，实现超精 密定位。 7 南京师范大学硕士学位论文 卡罗来纳大学精密工程小组和麻省理工学院机械工程系联合研制了原子级精 密运动控制刨别，它依靠六个电磁致动器和六个电容传感器的合理配置，提供 控制力和位移反馈，该定位台能实现三维六自由度的精密运动，它被成功地应用 于隧道显微镜( s 喇) 中，从s t m 得到的图像表明在5 秒的时间内，平台定位 噪声的峰值小于0 2 r i m 。该方法的缺点是行程相对较小。 ( 2 ) 直线电机式驱动 由永磁体阵列和多相位电磁线圈组成的直线电机同样利用电磁力驱动，并具 有很高的位移分辨率。不同的是直线电机 的行程要远大于单相电磁线圈驱动。因此， 直线电机式定位台可实现大范围运动。图 1 3 表示了直线电机的工作原理，此时直线 电机处于稳定工作时的动平衡状态刚。定 子线圈电流为理想化呈正弦分布的电流， 其峰值的方向用点和叉表示；并画出了由 电流产生的磁场南极和北极。磁阵列和定 磁阵列 xxx 定子线圈 图1 3 直线电机的工作原理图 子线圈磁场的同极产生垂直方向的悬浮力( 排斥力) 以抬起平台。磁阵列和定子 线圈问有正的磁弹性效应，所以直线电机的垂直运动是稳定的。在水平方向上的 平衡是不稳定的，需要反馈控制稳定平台在该动平衡附近的运动。理论上，可以 通过改变定子电流的大小来改变垂直力的大小，通过控制相位来控制水平力。由 此可使平台随着线圈电流相位的变化而运动。 l i n e a rd r i v e s 公司开发了一维直线电机式工作刽刈，其直线电机的输出 力为1 8 2 p n ，并能获得2 4 c m s 的速度。驻友重工公司开发的x - y - - 维直线电机 式工作台具有快速运动响应【3 l l ，2 5 4 m m 的步进运动只需3 7 脚就可使定位误差 在1 0 p 所以内。 麻省理工学院设计了一个高精度的电磁悬浮定位刽3 2 1 ，能实现六自由度精 密运动，并具有大幅( 5 0 r a m 5 0 m m ) 的平面运动能力，在x 和y 方向上，定位台的定 位噪声均低于5 n m 。之后，美国北卡罗来纳大学精密测量中心和麻省理工学院机械 工程系联合研制了同样类型的六自由度精密运动定位台，其水平定位噪声小于 0 6 a m 3 3 】。 直线电机式微位移驱动的特点是运动精度高、响应快，可达到瞬时的高加速 度和减速度。但是直线电机成本高、控制复杂，需考虑隔磁和防振。 ( 3 ) 压电驱动 在纳米定位技术中，应用最为广泛的定位元件是压电陶瓷驱动器。由于压电 陶瓷具有线性调节性能，利用压电逆效应，在压电材料上加电荷时，材料产生一 定量的微变形带动传动结构线性超微动。压电陶瓷执行器具有结构简单、体积小、 b 南京师范大学硕士学位论文 分辨率高、响应快、功耗小、无噪声等优点，因而是一种理想的微位移器。 1 9 7 8 年美国国家标准局开发了一个微定位工作台，并被用于光掩模的线宽 测量j 。该定位台采用了压电元件驱动，柔性铰链机构进行位移放大的方案。 定位台可在5 0 坍的工作范围内，以1n m 或更高的分辨率将物体线性地定位。 针对扫描隧道显微镜( s t m ) 测头的运动范围有限，美国国家标准技术局研 制了压电驱动柔性铰链机构传动的二维超精密定位台以扩大s t m 的测量范围 1 3 5 。，其视场为5 0 0 h mx 5 0 0 9 m 。 韩国科学技术高级研究所和密歇根技术大学利用三个压电元件独立驱动，柔 性铰链机构传动，联合研制了x - y - 0 三自由度的纳米级超精密定位 3 6 1 。由安 装于柔性铰链机构内的压电微致动器控制其x 、y 和0 方向的运动。柔性铰链机构 对压电元件有放大作用，定位台沿x 轴的运动范围为4 1 5j l 朋，沿y 轴的运动范围 为4 7 8 p m ，沿z 轴的转动运动范围为1 ：5 6 m r a d 。它被应用于半导体光刻的生 产。 国内的科研院所对于二维压电式定位台也进行了系列研究。清华大学精密仪 器及机械学系研制的亚微米弹性微位移定位台，分别控制两个压电致动器的变形 ，获得x 方向和y 方向的微位移，其定位精度达o 0 3 j l 所1 3 4 。天津大学精密仪器 与光电子工程学院、中国科学院长春光学精密机械研究所也研制了类似的系统 i 殍卵j ，定位精度分别达0 0 1i c l 朋、0 0 5 p 小。 压电元件驱动的定位台体积小、结构紧凑，可获得很高的定位精度，在静态 和低频工作时没有热耗散，不受外部电磁场的影响。但压电元件的变形有限，在 较高电场下将产生严重的非线性、迟滞和蠕变，从而降低了它的定位精度。 1 3 本课题的研究内容 本课题的主要任务是研究开发基于激光莫尔信号的s m - p d p 屏板精密定位装 配机，实现前基板、荫罩板和后基板的精密自动对准及固定。要求装置可靠，操 作方便，具有手动和自动两种调节功能。具体内容如下几个方面： 1 、根据激光光栅衍射位置测量的理论，应用物理光学和傅里叶光学理论对 光栅衍射后的莫尔信号特性进行了分析，研究双级衍射光栅的相对位移偏差与衍 射光强度的关系。在此基础上，推导出激光经双级光栅衍射后的莫尔信号光强方 程，建立精密位移测量的数学模型。 2 、根据激光光栅衍射位置测量的理论，并结合系统定位的最终目标来构建 整个定位系统的功能框架和总体设计方案。根据光栅定位的原理和s m p d p 系统 的总体定位目标，具体阐明系统的总体功能框架和定位方案。 3 、研制开发s m p d p 精密定位装配机，以工业控制计算机为核心，通过光、 9 南京师范大学硕士学位论文 机、电的有机结合，可实现精密自动定位。定位装置包括c c d 图像检测系统、光 栅精密测试系统、光电检测电路、电机驱动系统、精密机械传动机构、磁性固定 机构、计算机控制系统等。在构建精密定位硬件设备后，再进行精密定位软件设 计，并进行现场的联机调试，确保设备工作的可靠性及定位的高精度。定位装置 的性能指标为：定位精度5pm ，定位时间少于6 0 s 。 4 、利用研制的s m - p d p 精密定位装配机，研究精密屏板平面定位技术。由计 算机系统实现自动调节和控制，完成x - y - 0 三自由度的全自动精密平面定位。 研究粗定位与精定位相结合的两段式复合定位方法，以实现大行程下的高精度定 位。粗定位采用c c d 图像定位技术，精定位采用激光莫尔定位技术。粗定位时， 计算机根据检测到的c c d 信号，判断出基板与荫罩板之间的位置偏差，发出相 应指令，驱动定位台进入定位点附近，达到光栅定位能够捕捉的信号范围，完成 粗定位，定位精度为+ 2 2 0 | lm 。粗定位结束后，计算机再根据莫尔信号的大小 和极性发出相应的驱动脉冲信号，驱动定位台进入设定的位置偏差范围内，完成 精定位，定位精度为5um 。最终实现前基板、荫罩与后基板三者之间的全自 动精密平面定位。 1 0 南京师范大学硕士学位论文 第2 章s m - p d p 系统定位原理分析与系统总体设计 s m - p d p 系统采用c c d 图像定位技术与激光莫尔定位技术相结合的两段式复 合定位方法，本论文主要研究激光莫尔定位技术，并依照其理论提出s m - p d p 系 统的总体定位方案。 2 1 双光栅衍射的数学模型 2 1 1 莫尔条纹的衍射原理 1 单光栅衍射现象 由物理光学知道【柏l ，一束单色平行光入射到光栅 g 上，将产生各级衍射光，如图2 1 所示。如果入射角 ( 光栅面法线与入射线的夹角) 为g ，入射光波长为 a ，光栅常数为p ，则第m 级衍射光的方向可根据光 栅方程式确定： p ( s i n a4 - _ s i n ) ；m 3 朋i0 工2 ，( 2 1 ) 式中为第m 级衍射的衍射角( 光栅面法线与衍射光 系 图2 1 光栅衍射原理图 0 级 l 缎 m l 级 m 绂 的夹角) ，当入射线和m 级衍射线处于光栅面法线同侧时取正号，异侧时取负号。 因此式( 2 1 ) 中的口和均为角度的绝对值。如果考虑到角度的正负，规定由 光线通过锐角转到法线时，逆时针为正，顺时针为负，则光栅方程可表示如下： p ( s i n9 乙一s i ng ) l i l tm a(2-2)p(sin s i ng ) l i l t k所 k 由于口和只能在9 0 。的范围内变化，故( s i n 九一s i n g ) 的值只能在( 一2 ，+ 2 ) 的范围内变化，因而能够观察到的最高衍射级i 朋1 。一2 p x ，也即只与入射光的 波长a 和光栅常数p 有关。对同一入射光波长a ，光栅常数p 不同的光栅，所观 察到的衍射级数就不同，p 越大，观察到的衍射级次数就越多。当光线垂直入射 到光栅，此时口t 0 ，则光栅方程转化为： y p s i n 驴, 一土，孵a ，m 一0 a 2 ， 2 光栅常数相等、刻线平行的两光栅平行 放置时的衍射现象 光栅常数相等、刻线平行的两光栅平行放， 置时，如图2 2 所示，单色平行光首先入射到 二一 第一光栅上，而由第一光栅产生的每一级衍射 光束对第二光栅来说都是一组入射光( 设两光 图2 2 光栅副配置图 南京师范大学硕士学位论文 栅平行间距很小，第二光栅能接受到来自第一光栅的全部衍射级) ，这一入射光 束通过第二光栅后又将产生不同等级的衍射光束。因此，由光栅组合出射的每一 级衍射光束，必须由它在两个光栅上的衍射的等级序列表示，如图2 3 所示。 如果单色平行光对第一光栅g l 的入射角为口，从g 1 产生的第p 级衍射光 经g 2 后产生第留级衍射光，则从光栅组合出射的这一衍射光束的等级序列就可 表示为( p ，g ) ，如果入射光经第一光栅衍射后，最多可产生刀级衍射光，而每 一级衍射光经第二光栅后又将产生万级衍射光( 假设两光栅完全相同) ，则从光 栅组合出射的光束数目应是刀2 个。下面将就这n 2 个出射光束的方向进行讨论。 0 - 0 2 图2 3 双光栅衍射 一- 夕j。弋 i n + 卜 ! 图2 4 双光栅两出射光方向 先考虑由光栅组合出射的等级序列为( m ，m + 1 ) 级( 即pa 所，口t 小+ 1 ) 和( 朋+ 1 ，m ) 级( 即p 一棚+ 1 ，留nm ) 的两出射光的方向，如图2 4 所示。由 光栅方程( 2 2 ) ，对( m ，m + 1 ) 级衍射光，由第一光栅产生的第m 级衍射光 的方向由下式确定： s i n 伊。s i na + 坐 ( 2 3 ) 伊_ a + l z 一3 ， 因为两光栅是平行放置，故上式中的就是第m 级衍射光射向第二光栅的 入射角，经第二光栅后产生第坍+ 1 级衍射光的方向将是： 伽+ 1 ) a s m 一+ 1 ) 。s m 9 + 二。 。p 式中p ( m , i n + 1 ) 表示第二光栅的衍射角，将( 2 3 ) 代入上式得： 咖州，一s 劬+ ；沏+ 彻+ 1 ) 】= s i n a + 言( 加+ 1 ) ( 2 - 4 ) 同理，对( t n + 1 ，m ) 级衍射光，可得： s i n 妒删s i n 口+ 业 p 1 2 南京师范大学硕士学位论文 s i n v ( 。+ 珈) 一s i n a + 2 ( 加+ 1 ) ( 2 5 ) p 比较( 2 4 ) 和( 2 5 ) 两式，可得s i n + 1 川一s i l l 纸脚朋+ 1 ) ，说明从光栅组合出射的 沏，m + 1 ) 级和伽+ 1 ，胁) 级的衍射光方向相同，由此不难得出下列结论：从光栅组 合出射的两衍射光，如果它们的等级序列之和相等，即p l + 吼- p 2 + q ：c ，那 么它们将以相同方向出射。因此，仅就入射光束和出射光束的方向而论，光栅常 数相同、刻线平行的两个平行光栅相当于一个具有同一光栅常数的单光栅。这样 虽然自光栅组合出射的光束有玎2 个，但出射方向仅有n 个( 即单光栅的n 个衍射 级方向) 。 2 1 - 2 透射式光栅系统的理论分析 1 透射式单级衍射光栅系统的理论分析1 4 1 删 ( 1 ) 单缝衍射 一平行单色光射到光栅缝隙上，如图2 5 所示，在缝隙上任一点q 处入射 光复振幅为u 。( q ) 。入射场u 。( q ) 在q 点激发起次波 场，从q 点发出的线光源柱 面次波在p 点引起的振动为： 一一曲 d u ( p ) = k ( o ) u o ( q ) d x ； v ，- 式中e 曲山代表从q 点发出的柱面次波传到 p 点时的振幅和相位的变化；k 一幼a ，a 是光波 波长；k ) 是倾斜因子，它描述次波振幅随方向 的变化，其大小为： 彳 k ( o ) = 音( 1 + c o s o ) - - - _ l x i z 一 p 图2 5 单缝衍射 由菲涅耳衍射积分公式，可得到入射光经过缝隙后在p 点所有次波的叠加，即p 点在柱坐标下的复振幅为： u ( p ) 一毫二砜( q 万e - w ( 1 + c o s 口) 出一去砜( q ：r - 1 彪( 1 + c o s 口弘廿出 式中嵋为光栅缝隙宽度，设4 。寺砜( q ) ，则p 点的复振幅为 u ( p ) i 彳a 1 州s1 ，2 。- - 1 1 2 t + c o so ) e 一撕出 ( 2 6 ) ( 2 ) 单光栅衍射 如图2 6 所示，一束平行单色光入射到平面光栅1 上，光栅2 前任一点m 的 光波复振幅由光栅l 各缝的衍射光叠加而成