基于垂直扫描的精密三维工作台及应用

　　0 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，测量范围由小面积向大面积发展[3]。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，具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。

　　1 工作台的结构及原理

　　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，当测量工件时，闭环控制系统控制二维工作台的位移，同时Z 方向伺服电机和压电陶瓷驱动器驱动垂直扫描工作台去实现垂直方向上的精确定位。衍射光栅位移传感器用于探测垂直扫描工作台的垂直位移量。所以在表面形貌测量过程中，实现了X-Y 方向的精度定位和Z 方向的垂直扫描.

　　1.1 垂直扫描工作台原理

　　垂直扫描工作台结构如图2 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执行，粗驱动由Z 方向伺服电机和斜面导轨机构组成。粗、精两级驱动机构之间安装有精密滚动轴承，粗驱动机构能推动精驱动机构沿直线导轨在垂直方向上运动。精/粗驱动机构的组合位移量由Z 方向的衍射光栅计量系统进行计量[ 4 ]。定位时，首先驱动电机进行粗定位驱动，然后再驱动压电陶瓷按照一定的算法进行精确定位。

　　斜面导轨的斜度是1:10，升程是10mm。丝杠螺距是1mm。伺服电机的输出是10000 脉冲/ 转。所以垂直位移是10nm/ 步。粗、 精驱动的位移量均由计量衍射光栅测量系统计量。

　　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 级两束衍射光，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)级两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 线/mm 的计量衍射光栅，经两次衍射以及对信号20 细分，可达5nm 的分辨率。