专利名称：一种纳米级微小位移测量装置的制作方法
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Imm行程、优于5nm的测量精度。


图1为本发明结构框图；2/3页
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Cs的第一端子以及参考电容C；的第一端子连接，测量电容传感器Cs的第二端子与参考电容C；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Cs和参考电容C；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Cs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+IOV与-IOV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。
图3所示电路为传感电路(也即微小位移传感电路)，充电电路产生的充电脉冲经过上下两个通道向电容充电，在上通道中，充电脉冲经电阻R1，与UA构成的跟随电路相连， 通过电阻R4为电容C,充电，通过调节R4和C,的大小可以控制充放电的时间常数；在下通道中，充电脉冲经电阻R2、R3，与UB构成的反相跟随电路相连，通过电阻R5为电容Cs充电， 通过调节R4和C；的大小可以控制充放电的时间常数。初始状态上下通道的充放电时间常数相等，处于充放电平衡状态，当被测单元发生微小位移时，电容传感器电容值发生变化， 在充电脉冲的驱动下，参考电容C；与电容传感器Cs的充放电平衡被打破，将会有微弱电流从Current端流过。
图4所示的电路为积分及放大电路，是将传感电路输出的电流经过积分电容Ci进行积分转换成电压信号Signal，与积分电容Ci并联的电阻值很大，可以忽略，电流经过积分后变成电压信号由后级的放大电路进行放大。
图5所示的电路为差分采样电路，积分及放大电路输出的电压信号Signal经过差分采样电路变为两路输出，分别输出给放大器的正负输入端，经过放大器处理后输出电压信号给滤波电路。两路信号的采样保持由时钟控制端A-strode与B-strode控制，A-strode4与B-strode相对时钟信号相位差为90°。采样保持信号由Clock时钟信号控制输入给放大电路。
图6所示的电路为巴特沃士二阶滤波电路，滤波电路对前级的电压信号进行滤波后就得到了最终转换成的电压信号，此电压信号的大小反应了微小位移的变化情况。
权利要求
1.一种测量纳米级微小位移测量装置，其特征在于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。
2.按权利要求1所述的测量纳米级微小位移测量装置，其特征在于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(Cs)的第一端子以及参考电容(C；)的第一端子连接，测量电容传感器(Cs)的第二端子与参考电容(C；)的第二端子直接相连后，输出微小电流信号。
3.按权利要求2所述的测量纳米级微小位移测量装置，其特征在于所述驱动脉冲由 CPLD控制开关元件产生。
4.按权利要求1所述的测量纳米级微小位移测量装置，其特征在于所述测量电容传感器(Cs)和参考电容(C；)的充放电由高频方波驱动。
5.按权利要求1所述的测量纳米级微小位移测量装置，其特征在于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。
全文摘要
本发明涉及一种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。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，结构简单，成本低，性能稳定，灵敏度高。
文档编号G01B7/02GK102538650SQ201010611080
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者徐方, 杨奇峰, 褚明杰, 贾凯 申请人:沈阳新松机器人自动化股份有限公司