[发明专利]一种纳米级微小位移测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及纳米微动台闭环控制通道中的精密位移测量装置，具体的说是一种纳米级微小位移测量装置。

背景技术

在MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical Systems)和IC(集成电路)等超精密加工中，纳米级精密测量系统是其中的关键设备，目前，对纳米级位移的测量主要依靠原子显微镜、激光干涉仪以及直线光栅尺等装置实现，这些装置结构复杂，系统庞大，适合进行大行程高精度的测量，而不适合对小行程、高精度的纳米级微小位移进行测量。

发明内容

针对现有技术中存在的纳米位移测量装置结构复杂，系统庞大等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种提体积小，精度高，适合对小行程，高精度的测量纳米级微小位移的传感电路。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明测量纳米级微小位移测量装置包括时序及充电电路、传感电路、积分及放大电路、差分采样电路以及滤波电路，上述电路顺序电连接，其中：时序及充电电路，产生传感电路所需的充电脉冲及差分采样电路所需的时序信号；传感电路，接收微小位移信号，输出相应的微小电流信号至积分及放大电路；积分及放大电路，接收微小电流信号，输出电压信号至差分采样电路；差分采样电路，对积分及放大电路输入的电压信号进行差分处理；滤波电路，对经过差分处理后信号进行滤波处理，得到最后的检测信号。

所述传感电路包括时序单元和信号探测单元，其中时序电路产生高频驱动脉冲经跟随及反向处理后与信号探测单元中的测量电容传感器的第一端子以及参考电容的第一端子连接，测量电容传感器的第二端子与参考电容的第二端子直接相连后，输出微小电流信号。

所述驱动脉冲由CPLD控制开关元件产生。

所述测量电容传感器和参考电容的充放电由高频方波驱动。

所述差分采样电路中的控制时钟由时序电路提供，相位相差90°，产生的差分信号由减法电路做减法运算并放大。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明可以通过较小的测量机构实现微小位移纳米级的测量，相比激光干涉仪、直线光栅尺等测量装置结构简单，成本低，相对于桥式、差分电容测位电路，本发明不存在不稳定问题，灵敏度高，可实现小于1mm行程、优于5nm的测量精度。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为发明的时序与充电电路；

图3为发明的传感电路；

图4为发明的积分及放大电路；

图5为发明的差分采样电路；

图6为发明的滤波电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明测量纳米级微小位移测量装置包括传感电路、积分及放大电路、差分采样电路以及滤波电路，上述电路顺序电连接，其中：传感电路，接收微小位移信号，输出相应的微小电流信号至积分及放大电路；积分及放大电路，接收微小电流信号，输出电压信号至差分采样电路；差分采样电路，对积分及放大电路输入的电压信号进行差分处理；滤波电路，对经过差分处理后信号进行滤波处理，得到最后的检测信号。

所述传感电路包括时序单元和信号探测单元，其中时序电路产生高频驱动脉冲经跟随及反向处理后与信号探测单元中的测量电容传感器C_s的第一端子以及参考电容C_r的第一端子连接，测量电容传感器C_s的第二端子与参考电容C_r的第二端子直接相连后，输出微小电流信号，测量电容传感器C_s和参考电容C_r的充放电由高频方波驱动；所述差分采样电路中的控制时钟相差90°相位。传感电路包含有

在图1中，本发明装置包括传感电路、积分及放大电路、差分采样电路以及滤波电路，传感电路的输入端接收微小位移信号，经测量电容传感器C_s探测后变为电流传送给积分及放大电路，再经过积分及放大电路的积分及放大作用，转化为放大的电压信号传送给差分采样电路，差分采样电路经过特定时序的采样，对电压信号进行提取后送滤波电路，信号经过滤波电路处理后为最终的输出电压信号。

图2所示的电路为时序及充电电路，CPLD以有源晶振为基准产生高频时钟信号控制开关电路产生+10V与-10V的高频充电信号驱动传感电路工作。同时CPLD产生两路时钟信号提供给差分采样电路。