大范围二维纳米检测系统的设计研究

摘要

近年来,纳米技术的研究受到了越来越多的重视,特别是随着机械、材料、电子等工业的迅猛发展,它涉及到越来越广泛的内容,其中纳米测量技术是纳米科学的一个重要分支.现在纳米级精度的测量已经成为目前工业和科学发展中迫切需要解决的问题.该文首先对纳米技术及高精度激光干涉位移测量技术的发展现状作出全面系统的分析研究.在此基础之上,提出了一种耦合差动式干涉的新方法,并据此设计了一套光学8倍频的耦合差动式干涉光路,其结构设计简洁紧凑,光路布局对称性好,光程差倍增,符合阿贝原则和结构变形最小原则.采用大位移超微动连续可控式压电马达作为纳米驱动装置,并优化设计了控制系统,使马达运动更为合理、平稳.在干涉信号处理方面,设计制作出干涉信号处理电路,实现了消除直流电平、滤波、放大等功能;分析了直流电平漂移、不等幅及非正交三种误差对细分精度的影响,并采用Heydemann模型对上述误差进行补偿,这样便获得了两路较为理想的正交信号;接下来对干涉信号进行辨向计数和正切细分,从而计算出实际位移量.最后指出影响系统精度的误差源,并提出减小或补偿相应误差的方法,对整个系统的精度在理论分析的基础上进行估算,得出了干涉仪综合精度的理论值为±2.5nm左右;并采用与电容测微仪比对的方法对该系统进行检测,在获取大量测量数据的基础上,利用线性回归的方法对测量结果进行处理.实验结果表明:该干涉测量系统的精度为10-12nm.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章综述

1.1 纳米技术的发展概况

1.2 光学纳米测量技术

1.3 本课题的主要研究内容和意义

第二章激光干涉系统的设计

2.1 干涉光路的设计

2.2 高精度导轨的设计

2.3 隔振系统的研究

第三章纳米驱动马达的研究

3.1 压电马达运动原理

3.2 压电马达控制系统硬件设计

3.3 压电马达控制系统软件设计

第四章干涉系统的信号处理

4.1 信号处理电路

4.2 信号三差的分析与补偿

4.3 位移计算

第五章仪器误差的理论分析与系统实验

5.1 仪器误差的理论分析

5.2 电容测微仪分辨率的估算

5.3 实验结果

5.4 数据处理及结果分析

全文总结与课题展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢