專利名稱：一種納米級微小位移測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米微動臺閉環(huán)控制通道中的精密位移測量裝置，具體的說是一種納米級微小位移測量裝置。
背景技術(shù)：
在MEMS (微機(jī)電系統(tǒng)，Micro-Electro-Mechanical Systems)和 IC(集成電路)等超精密加工中，納米級精密測量系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵設(shè)備，目前，對納米級位移的測量主要依靠原子顯微鏡、激光干涉儀以及直線光柵尺等裝置實現(xiàn)，這些裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)龐大，適合進(jìn)行大行程高精度的測量，而不適合對小行程、高精度的納米級微小位移進(jìn)行測量。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的納米位移測量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)龐大等不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種提體積小，精度高，適合對小行程，高精度的測量納米級微小位移的傳感電路。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明測量納米級微小位移測量裝置包括時序及充電電路、傳感電路、積分及放大電路、差分采樣電路以及濾波電路，上述電路順序電連接，其中時序及充電電路，產(chǎn)生傳感電路所需的充電脈沖及差分采樣電路所需的時序信號；傳感電路，接收微小位移信號，輸出相應(yīng)的微小電流信號至積分及放大電路；積分及放大電路，接收微小電流信號，輸出電壓信號至差分采樣電路；差分采樣電路，對積分及放大電路輸入的電壓信號進(jìn)行差分處理； 濾波電路，對經(jīng)過差分處理后信號進(jìn)行濾波處理，得到最后的檢測信號。所述傳感電路包括時序單元和信號探測單元，其中時序電路產(chǎn)生高頻驅(qū)動脈沖經(jīng)跟隨及反向處理后與信號探測單元中的測量電容傳感器的第一端子以及參考電容的第一端子連接，測量電容傳感器的第二端子與參考電容的第二端子直接相連后，輸出微小電流信號。所述驅(qū)動脈沖由CPLD控制開關(guān)元件產(chǎn)生。所述測量電容傳感器和參考電容的充放電由高頻方波驅(qū)動。所述差分采樣電路中的控制時鐘由時序電路提供，相位相差90°，產(chǎn)生的差分信號由減法電路做減法運算并放大。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點1.本發(fā)明可以通過較小的測量機(jī)構(gòu)實現(xiàn)微小位移納米級的測量，相比激光干涉儀、直線光柵尺等測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，相對于橋式、差分電容測位電路，本發(fā)明不存在不穩(wěn)定問題，靈敏度高，可實現(xiàn)小于Irnm行程、優(yōu)于5nm的測量精度。

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖；[0013]圖2為發(fā)明的時序與充電電路；圖3為發(fā)明的傳感電路；圖4為發(fā)明的積分及放大電路；圖5為發(fā)明的差分采樣電路；圖6為發(fā)明的濾波電路。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明測量納米級微小位移測量裝置包括傳感電路、積分及放大電路、差分采樣電路以及濾波電路，上述電路順序電連接，其中傳感電路，接收微小位移信號，輸出相應(yīng)的微小電流信號至積分及放大電路；積分及放大電路，接收微小電流信號，輸出電壓信號至差分采樣電路；差分采樣電路，對積分及放大電路輸入的電壓信號進(jìn)行差分處理；濾波電路，對經(jīng)過差分處理后信號進(jìn)行濾波處理，得到最后的檢測信號。所述傳感電路包括時序單元和信號探測單元，其中時序電路產(chǎn)生高頻驅(qū)動脈沖經(jīng)跟隨及反向處理后與信號探測單元中的測量電容傳感器Cs的第一端子以及參考電容C；的第一端子連接，測量電容傳感器Cs的第二端子與參考電容C；的第二端子直接相連后，輸出微小電流信號，測量電容傳感器Cs和參考電容C；的充放電由高頻方波驅(qū)動；所述差分采樣電路中的控制時鐘相差90°相位。在圖1中，本發(fā)明裝置包括傳感電路、積分及放大電路、差分采樣電路以及濾波電路，傳感電路的輸入端接收微小位移信號，經(jīng)測量電容傳感器Cs探測后變?yōu)殡娏鱾魉徒o積分及放大電路，再經(jīng)過積分及放大電路的積分及放大作用，轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號傳送給差分采樣電路，差分采樣電路經(jīng)過特定時序的采樣，對電壓信號進(jìn)行提取后送濾波電路，信號經(jīng)過濾波電路處理后為最終的輸出電壓信號。圖2所示的電路為時序及充電電路，CPLD以有源晶振為基準(zhǔn)產(chǎn)生高頻時鐘信號控制開關(guān)電路產(chǎn)生+IOV與-IOV的高頻充電信號驅(qū)動傳感電路工作。同時CPLD產(chǎn)生兩路時鐘信號提供給差分采樣電路。圖3所示電路為傳感電路(也即微小位移傳感電路)，充電電路產(chǎn)生的充電脈沖經(jīng)過上下兩個通道向電容充電，在上通道中，充電脈沖經(jīng)電阻Rl，與UA構(gòu)成的跟隨電路相連，通過電阻R4為電容C,充電，通過調(diào)節(jié)R4和C,的大小可以控制充放電的時間常數(shù)；在下通道中，充電脈沖經(jīng)電阻R2、R3，與UB構(gòu)成的反相跟隨電路相連，通過電阻R5為電容Cs充電，通過調(diào)節(jié)R4和C；的大小可以控制充放電的時間常數(shù)。初始狀態(tài)上下通道的充放電時間常數(shù)相等，處于充放電平衡狀態(tài)，當(dāng)被測單元發(fā)生微小位移時，電容傳感器電容值發(fā)生變化，在充電脈沖的驅(qū)動下，參考電容C；與電容傳感器Cs的充放電平衡被打破，將會有微弱電流從Current端流過。圖4所示的電路為積分及放大電路，是將傳感電路輸出的電流經(jīng)過積分電容Ci進(jìn)行積分轉(zhuǎn)換成電壓信號Signal，與積分電容Ci并聯(lián)的電阻值很大，可以忽略，電流經(jīng)過積分后變成電壓信號由后級的放大電路進(jìn)行放大。圖5所示的電路為差分采樣電路，積分及放大電路輸出的電壓信號Signal經(jīng)過差分采樣電路變?yōu)閮陕份敵?，分別輸出給放大器的正負(fù)輸入端，經(jīng)過放大器處理后輸出電壓信號給濾波電路。兩路信號的采樣保持由時鐘控制端A-strode與B-strode控制，A-strode與B-strode相對時鐘信號相位差為90°。采樣保持信號由Clock時鐘信號控制輸入給放大電路。 圖6所示的電路為巴特沃士二階濾波電路，濾波電路對前級的電壓信號進(jìn)行濾波后就得到了最終轉(zhuǎn)換成的電壓信號，此電壓信號的大小反應(yīng)了微小位移的變化情況。
權(quán)利要求1.一種測量納米級微小位移測量裝置，其特征在于包括時序及充電電路、傳感電路、 積分及放大電路、差分采樣電路以及濾波電路，上述電路順序電連接，其中時序及充電電路，產(chǎn)生傳感電路所需的充電脈沖及差分采樣電路所需的時序信號；傳感電路，接收微小位移信號，輸出相應(yīng)的微小電流信號至積分及放大電路；積分及放大電路，接收微小電流信號，輸出電壓信號至差分采樣電路；差分采樣電路，對積分及放大電路輸入的電壓信號進(jìn)行差分處理；濾波電路，對經(jīng)過差分處理后信號進(jìn)行濾波處理，得到最后的檢測信號。
2.按權(quán)利要求1所述的測量納米級微小位移測量裝置，其特征在于所述傳感電路包括時序單元和信號探測單元，其中時序電路產(chǎn)生高頻驅(qū)動脈沖經(jīng)跟隨及反向處理后與信號探測單元中的測量電容傳感器(Cs)的第一端子以及參考電容(C；)的第一端子連接，測量電容傳感器(Cs)的第二端子與參考電容(C；)的第二端子直接相連后，輸出微小電流信號。
3.按權(quán)利要求2所述的測量納米級微小位移測量裝置，其特征在于所述驅(qū)動脈沖由 CPLD控制開關(guān)元件產(chǎn)生。
4.按權(quán)利要求1所述的測量納米級微小位移測量裝置，其特征在于所述測量電容傳感器(Cs)和參考電容(C；)的充放電由高頻方波驅(qū)動。
5.按權(quán)利要求1所述的測量納米級微小位移測量裝置，其特征在于所述差分采樣電路中的控制時鐘由時序電路提供，相位相差90°，產(chǎn)生的差分信號由減法電路做減法運算并放大。
專利摘要本實用新型涉及一種測量納米級微小位移測量裝置，包括時序及充電電路、傳感電路、積分及放大電路、差分采樣電路以及濾波電路，上述電路順序電連接，其中時序及充電電路，產(chǎn)生傳感電路所需的充電脈沖及差分采樣電路所需的時序信號；傳感電路，接收微小位移信號，輸出相應(yīng)的微小電流信號至積分及放大電路；積分及放大電路，接收微小電流信號，輸出電壓信號至差分采樣電路；差分采樣電路，對積分及放大電路輸入的電壓信號進(jìn)行差分處理；濾波電路，對經(jīng)過差分處理后信號進(jìn)行濾波處理，得到最后的檢測信號。本實用新型可以通過較小的測量機(jī)構(gòu)實現(xiàn)微小位移納米級的測量，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，性能穩(wěn)定，靈敏度高。
文檔編號G01B7/02GK202032998SQ201020686568
公開日2011年11月9日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者徐方, 楊奇峰, 褚明杰, 賈凱 申請人:沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司