[发明专利]面向微纳操控的三自由度位移测量装置和方法

说明书

本发明公开了一种面向微纳操控的三自由度位移测量装置和方法。所述装置包括运动平台、第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器，所述第一位移传感器和第二位移传感器平行设置于所述运动平台的一边；所述第三位移传感器设置于该边的相邻边。通过采集三个传感器感测的实时位移数据，根据提供的计算方法，实现了非定轴XYθ位移的接触式测量，可以满足不同行程要求下的任意平面运动的位移反馈需求。

技术领域

本发明属于微纳操作领域领域，尤其涉及面向微纳操控的三自由度位移测量装置和方法。

背景技术

随着纳米技术的发展，物理、化学、生物等自然科学的研究领域和视野得到了有力的拓宽，甚至催生新的学科。尤其是进入21世纪以来，纳米技术的飞速发展极大地提高了人们对微观世界的认知水平，并在此基础上产生了可以支持人类在微观尺度下探究物质原理的技术手段，并为微电子信息产业在后摩尔时代的新突破，国防航空航天领域装备制造在尺度、精度和速度上的提升，微纳制造装备的革新带来发展机遇。其中，微纳定位平台作为纳米技术实现的载体，获得了国内外持续关注与研究，如文献“Development of anangular displacement measurement technique through birefringence heterodyneinterferometry”和“”Development of a Passive Compliant Mechanism forMeasurement of Micro/Nanoscale Planar 3-DOF Motions均对该问题进行了研究。特别是大行程多自由度平面微纳操控系统在半导体芯片制备领域得到广泛的应用，其中位移检测作为反馈中重要一环，直接决定了操控精度。

传统的位移量检测方法，如用线纹尺或光学仪器测量位移量，存在误差大、效率低的缺点；电容传感器和单片机组成的位移测量系统测量精度高，但电容传感器对环境温湿度有较高要求，不易操作；国外研制的激光测微系统，虽然测量精度高，但价格昂贵，不能满足一般的工程需要，并且容易受外界环境影响，例如当发生震动时，光束的偏转影响测量精度；微位移测量领域的光学干涉测量技术，检测精度可达纳米级甚至亚纳米级，但测量空间很小时，由于无法构成干涉光路，测量无法实现。

因此，提供一种兼顾成本、精度，并且易于实现的位移检测方法，是本领域技术人员目前需要迫切解决的技术问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种面向微纳操控的三自由度位移测量装置和方法。通过在运动平台的两个相邻边安装三个接触式位移传感器，实现了非定轴XYθ位移的接触式测量，并提供了相应的计算方法，可以满足不同行程要求下的任意平面运动的位移反馈需求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向微纳操作器的三自由度位移测量装置，所述装置包括：运动平台、第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器，所述第一位移传感器和第二位移传感器设置于所述运动平台的一边；所述第三位移传感器设置于该边的相邻边。

进一步地，所述第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器均为接触式位移传感器。

进一步地，所述接触式位移传感器为探规。

进一步地，第一探规和第二探规轴线平行且轴间距为2l，第三探规轴线垂直于所在边，且穿过所在边的几何中心。

进一步地，所述第一探规、第二探规和第三探规安装时初始状态压缩位移大于运动平台运动行程。

根据本发明的第二目的，本发明还提供了一种基于所述位移测量装置的位移计算方法：

假设所述运动平台运动后，相对于X轴和Y轴的位移量分别为x1和y1，沿几何中心旋转的角度为θ；设置于同一条边上的两个位移传感器测得的实时位移量分别为Y1和Y2，第三个位移传感器测得的实时位移量X1；则