面向微纳操控的三自由度位移测量装置和方法与流程

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“developmentofanangulardisplacementmeasurementtechniquethroughbirefringenceheterodyneinterferometry”和“”developmentofapassivecompliantmechanismformeasurementofmicro/nanoscaleplanar3-dofmotions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。

技术实现要素：

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

其中，a为运动平台的边长，2l为设置于同一条边上的两个位移传感器的轴间距。

根据本发明的第三目的，本发明还提供了一种面向微纳操作器的三自由度位移测量系统，包括：所述的位移测量装置、数据采集装置、计算装置；

所述采集位移数据，与所述位移测量装置中三个位移传感器连接，用于采集所述三个位移传感器测得的实时位移量，并传输至所述计算装置；

所述计算装置包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现三自由度位移的计算：

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

其中，a为运动平台的边长，2l为设置于同一条边上的两个位移传感器的轴间距。本发明的有益效果

1、本发明借助接触式位移传感器(即探规)实现了可以支持尤其是并联驱动的微纳操控的平面位移的实时测量，提供了测量方案以及相应的测量算法，给出了明确的解析解，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。

2、本发明采用接触式位移传感器感测运动平台的位移，安装方便，成本较低，并且安装后工作稳定，受外界环境的影响小，保证了测量精度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明中面向微纳操作器的三自由度位移接触式测量装置示意图；

图2为本发明中第一位置至第二位置示意图；

图3为本发明中第二位置至第三位置示意图；

图4为本发明中第三位置至第四位置示意图。

图中：1-第一位移传感器、2-第二位移传感器、3-第三位移传感器、4-第一位置、5-第二位置、6-第三位置、7-第四位置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种面向微纳操作器的三自由度位移接触式测量装置，所述装置包括：运动平台、第一位移传感器1、第二位移传感器2、第三位移传感器3，所述第一位移传感器1和第二位移传感器2平行设置于所述运动平台的一边；所述第三位移传感器3设置于该边的相邻边。

所述第一位移传感器1、第二位移传感器2和第三位移传感器3均为接触式位移传感器。具体地，所述接触式位移传感器为探规。

所述第一探规1和第二探规2轴线平行且轴间距为2l，所述第三探规3轴线垂直于所在边，且穿过所在边的几何中心。

所述第一探规1、第二探规2和第三探规3安装时初始状态压缩位移大于运动平台运动行程。

所述运动平台为边长为a的正方形。

为了更清楚的阐述本装置，如图2-4所示，运动平台底边平行设置有第一探规1和第二探规2，所述第一探规1和第二探规2轴线平行且轴间距为2l，第三探规3位于运动平台右侧边水平放置，所述第三探规3轴线垂直于运动平台右侧边且穿过运动平台右几何中心。

实施例二

基于以上位移检测装置测得的位移数据，本实施例提供了一种位移计算方法。

图2-4中示出了运动平台的四个位置，其中，

所述运动平台的初始位置为第一位置4，沿x轴运动x1位移后所处位置为第二位置，第二位置5沿y轴运动y1位移后所处位置为第三位置6，第三位置6沿几何中心旋转θ角位移后所处位置为第四位置7。

所述运动平台的任意运动由第一位置4、第二位置5、第三位置6和第四位置7线性组合实现，运动平台由初始位置即第一位置4沿x轴运动x1位移至第二位置5所处位置时，所述第三探规3位移量为x11，运动平台由第二位置5沿y轴运动y1位移至第三位置6所处位置时，所述第一探规1和第二探规2位移量分别为y11和y12，运动平台由第三位置6绕垂直于运动平台几何中心轴线旋转θ至第四位置7所处位置时，所述第一探规1、第二探规2和第三探规3位移量分别为x12，y12和y22，第一探规1、第二探规2和第三探规3在运动平台做任意平面运动后的实时输出数值分别定义为y1，y2和x1。

根据几何关系关系，容易得到：

根据坐标的矢量关系，可以得到：

根据几何关系，可以得到：

代入1.2式可以得到：

整理上式可以得到：

其中的位移量x12，y12和y22是由于运动平台绕几何中心旋转而引入，根据坐标系变换原理，可以分别得到c′和d′在第三位置6坐标系中的中坐标分别为：

令

直线b′c′在第三位置6坐标系中的表达式为：

类似的，直线c′d′在第三位置6坐标系中的表达式为：

分别对应代入第一探规1和第二探规2与直线c′d′交点，以及第三探规3与直线b′c′交点的已知坐标，即可得到：

分别代入1.5式可以得到：

将1.1式和1.8式代入1.12式可以得到：

式1.1和1.13构成了运动平台平面位移的解析解。

实施例二

本实施例提供了一种面向微纳操作器的三自由度位移测量系统，包括：实施例一中所述的位移测量装置、数据采集装置、计算装置；

所述采集位移数据，与所述位移测量装置中三个位移传感器连接，用于采集所述三个位移传感器测得的实时位移量，并传输至所述计算装置；

所述计算装置包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现三自由度位移的计算：

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

其中，a为运动平台的边长，2l为设置于同一条边上的两个位移传感器的轴间距。

本发明借助接触式位移传感器(即探规)实现了可以支持尤其是并联驱动的运动平台位移的实时测量，本发明提供了测量方案以及相应的测量算法，给出了明确的解析解，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。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。