一种新型精密三维工作台的设计及其应用

　　1 引 言

　　随着精密加工及测试技术的迅速发展, 精密定位的问题变得至关重要[1,2]。为了研究表面形貌的特性与功能, 形貌的测量评定由二维发展到三维,尺度由微米发展到纳米, 测量范围由小面积发展到大面积。另外, 微加工、微操作、微存储也希望有尽可能大的工作范围, 以提高装备的功能与效率, 因此, 研究大量程精密定位工作台成为各前沿学科当务之急。

　　本文介绍的精密三维位移工作台可广泛应用在三维表面形貌的测量与评定、精密及超精密加工和半导体光刻等领域中。与传统的二维及三维工作台相比, 它有高精度和大量程等优点, 它采用粗精结合的定位机构和自带计量系统的闭环控制系统,能实现垂直方向(Z 方向) 的大量程位移扫描和水平方向(X- Y 方向)的精确定位。

　　2 工作台的结构及原理

　　2.1 系统的整体结构及工作原理

　　自带计量系统的三维位移工作台总体结构如图 1 所示。

　　工作台由垂直扫描工作台和 X- Y 二维工作台组成, 垂直扫描工作台被放置在 X- Y 二维工作台之上, 工作台照片如图 2 所示。

　　2.1 垂直扫描工作台

　　如图 1 所示, 计量型垂直扫描工作台分粗、精两级驱动。精驱动由压电陶瓷驱动器 5 执行。粗驱动由 Z 方向伺服电机 6 和斜面导轨机构 7 组成。粗、精驱动的位移量均由计量衍射光栅测量系统计量[3]。

　　图 3 为衍射光栅测量系统光学原理图, 激光器发出的光入射到反射光栅, 经反射光栅一次衍射后形成+1 级和- 1 级 2 束衍射光, 通过置于两侧的直角棱镜将+1 级和- 1 级衍射光反射回光栅并汇聚于光栅上另一点, 经过二次衍射后, (+1, +1) 级和(- 1, - 1) 级 2 束衍射光将在垂直于 X 轴放置的光电探测器上形成干涉条纹。当光栅移动时, 干涉条纹将发生相移, 通过探测条纹的变化即可反映出物体的位移。衍射光栅测量系统采用 1200 对线 /mm的计量衍射光栅, 经 2 次衍射以及对信号 20 细分,可达 5 nm 的分辨率。对于压电陶瓷驱动器, 本系统采用的是中国电子科技集团公司 26 所研制的 WTDS0810025 型电致伸缩陶瓷微位移器, 高压驱动电源自行研制。压电陶瓷的驱动电源一般可分为电压控制型和电荷控制型 2 种。电压型驱动电源主要有 2 种形式: 一种是基于直流变换器原理的开关式, 这种驱动方式电源功率损耗小、效率高、体积小, 但电源输出纹波较大, 频响范围也较窄。另一种是直流放大式, 其特点是频响范围较宽, 然而这与输出精度高又相矛盾。但从发展趋势看, 这种电源应用前景较为广阔。电荷控制型驱动电源可以改善压电陶瓷的迟滞和蠕变, 但由于压电陶瓷的内阻很高, 因此, 充电电流小, 响应时间长, 更适合于静态或对频响要求不高的场合。根据本系统的要求, 采用了直流放大电源的方式, 其电路原理如图 4 所示。