针对因压电陶瓷固有的迟滞特性降低了压电陶瓷平台定位精度问题，该文提出一种基于前馈补偿的复合控制系统。首先建立前馈模型，提出并应用一种分段式的Prandtl-Ishlinskii模型，增加拟合精度，同时避免了复杂的求解过程，并求出迟滞逆模型，其建模误差率可达0.69%; 其次，对反馈回路设计了串联比例-积分(PI)数字电路、正弦激励电路及电容转换电路，进一步提高了压电陶瓷定位平台的控制精度。根据国标GB/T 38614—2020的测试标准进行实验测试，结果表明，在设计的复合控制系统控制下，压电陶瓷定位平台正、反向重复定位精度分别为0.013 1 μm和0.015 5 μm，准确度为0.033 5 μm，在计算出反向差值后得出迟滞误差为0.013%。与仅有前馈控制相比，其控制精度提高了79.57%。

由于光刻投影物镜装调中电容传感器的线性度指标不能够满足位移调节精度的需求,本文提出了一种提高电容传感器测量线性度的方法。该方法采用压电驱动器提供位移进给;采用高精度激光测长干涉仪校准电容传感器的线性度,提供位移反馈以保证运动控制精度。采用高阶曲线拟合方法得到拟合系数对传感器线性度进行在线标定;对标定实验中的环境、安装、机构以及控制等进行不确定度分析与评定以保证电容传感器的线性度测量精度;最后进行电容传感器线性度的标定实验。实验结果表明: 本文提出的线性度标定方法能够减小各误差项对于测量结果的影响,标定后传感器线性度由0.047 14%提高至0.004 84%,近一个数量级,并且线性度重复性较高,重复性偏差为0.38 nm,全行程内线性度的合成不确定度为5.70 nm,能够满足光刻物镜中位移控制精度的需求。

针对液滴分析仪光纤、电容传感器多次测量重复性不高, 影响液滴分析测量精度的关键问题, 重新设计了传感器结构, 在电容环形极板外部增加屏蔽结构。采用数字电容信号测量法代替原有激励模拟测量方法, 电容传感器测量极小值标准差为 0.001 7 pF, 极大值标准差为 0.002 4 pF。改进光纤信号测量电路, 利用无限增益低通滤波器避免由于放大倍率过高引起的自激震荡, 光纤传感器测量峰值标准差为 0.019 9 V, 提高了液滴分析仪测量精度。

由于微纳米几何量计量很难以三维方式高精度地测量较大尺寸的器件，本文基于非硅MEMS工艺，开发了一种可用于微纳米尺度三维尺寸测量的电容式微触觉测头。利用电容频率测量法实现了微弱电容信号的采集。采用宏微结合驱动方式，设计了运动范围为25 mm×25 mm×10 mm，单轴12 μm范围内定位精度达1 nm的三维微位移平台。最后，对测头的测量范围、线性、迟滞及分辨力进行了测试。结果表明，测头的轴向测量范围为4.5 μm，横向测量范围大于5 μm，轴向分辨力优于10 nm，横向分辨力优于25 nm，线性较好。开发的测头结构简单、分辨力高、体积小、成本低，可集成到纳米测量定位平台(NMM)，完成具有大范围、亚微米或纳米级精度要求的测量任务。