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%。

提出了一种检测微小电容信号的可配置的电容-电压转换电路。该电路由电容补偿电路、电荷积分电路、采样保持电路、低通滤波和缓冲器组成。使用调制解调的电容检测方法, 实现了电容-电压转换。仿真结果表明, 电容分辨率为1.70 aF/Hz, 输出电压信号与电容差成正比, 确定系数R2为0.999 99。电路中的积分电容值、放大增益、补偿电容和带宽均可以通过编程灵活设定。该电容-电压转换电路可用于MEMS及其他电容式传感器。

为了对高度小于100mm的液位进行非接触式测量, 采用液位变化改变平面电容边缘电场参量的方法, 对平面电容传感器的工作原理进行了理论分析, 研究了平面电容传感器的结构参量对其灵敏度、穿透深度的影响, 并对传感器结构参量进行了优化,基于平面电容传感器,设计了非接触式低液位检测系统, 通过对纯净水、洗洁精溶液和墨汁的实验验证, 取得了0mm～100mm范围的液位测量数据。结果表明, 该检测系统工作稳定, 具有线性输出, 重复性误差约为±0.28%, 数据修正前的测量误差小于7.8%。这一结果对非接触式较低液位的检测是有帮助的。

利用高精度的电容传感器设计了一种带有位移反馈的压电陶瓷精密微位移系统, 极大地矫正了压电陶瓷的非线性。设计了高精度的位移检测电路, 实时采集电容传感器的电容量并转换成数字信号反馈给DSP, 形成位移信息的闭环。结合带有前馈补偿的PID闭环控制策略, 矫正压电陶瓷的非线性特性, 进而实现微位移系统精密定位。对设计研制的微位移系统进行试验测试, 结果表明: 位移检测电路的电容分辨率可达0.0001pF, 微位移系统定位精度优于5nm, 校正后迟滞误差低于1.0%。

设计了一种电容位移传感器在线标定平台, 用于位移的高精度调节和检测。该平台的运动对称中心轴、测量光路的对称中心轴和传感器的传感轴共轴, 故从测量原理上减小了阿贝误差。标定平台具有z/tip/tilt调节功能, 保证了传感器的传感面和被测面板的被测面之间的装调对准。介绍了标定平台的组成和标定方法的原理, 采用对称平行四边形机构实现了微位移调节, 基于柔度矩阵法(CMM)分析了导向机构的输出柔度和行程。试验测得动平台行程为735.162 μm, 和有限元法(FEM)、CMM计算结果的误差分别为7.410%和4.633%, 满足行程误差要求。经过标定补偿后, 传感器的线性度由0.014 21%提高至0.006 231%。实验结果显示, 该线性度标定方法精度高, 标定后的传感器满足位移精密调节机构使用要求。

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。

针对调幅式电容位移传感器解调过程中由系统不确定相移导致的信号解调不准确问题，提出了一种基于改进的峰值保持电路的调幅式电容位移传感测量方法。首先，分析了调幅式电容位移传感器及其检测电路的工作原理，在研究调幅信号附加相移产生机理的基础上，提出了延迟反馈式峰值保持电路，用以去除附加相移对峰值解调的影响。然后，设计并制作了调幅式电容位移传感器，并对其各个性能指标进行了测试。最后，对实验结果和误差进行了分析。实验显示，提出的峰值保持电路的输出线性度优于0.05%，制作的传感器在0~25 μm内数据测量稳定性优于10 nm/30 min，传感器测量偏差最大值为36 nm。结果表明，采用延迟反馈型峰值保持电路有效地解决了系统不确定相移带来的峰值检波不准确的问题，所制作的电容传感器满足了高精度测量的要求。