合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院 测量理论与精密仪器安徽省重点实验室， 安徽合肥230009
微位移工作台是实现高精度定位的关键部件，传统的工作台自由度少且分辨力不高，不能满足应用需求，因此提出一种六自由度高精度微位移工作台结构方案并验证了其性能。在整体结构上采用“串并联混合驱动”的方式和中空结构，将六个自由度的运动合理地分布在平动层，转动层和支撑层三层结构中，并设计开发了工作台的运动控制系统以及一套可搭配使用的运动控制软件。实验结果表明，X，Y，Z轴线位移分别优于20，20和37 μm，角位移行程分别优于39″，33″和27″；线位移分辨力均优于0.7 nm，角位移分辨力均优于0.1″。所提出的六自由度微位移工作台相比于传统工作台具有自由度多、极高分辨力等优点，有望在超精密加工，微电子制造等领域中获得广泛的应用。
微动工作台 亚纳米分辨力 六自由度 运动控制系统 micro-driving stage resolution with sub-nano 6-DOF motion control system 光学 精密工程
2023, 31(13): 1933
1 安徽建筑大学 电子与信息工程学院，安徽合肥23060
2 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽合肥30009
原子力显微镜处于轻敲模式工作于大气环境时，由于悬臂和被测试样间的距离很小，悬臂的振动会产生相应的压膜阻尼，影响悬臂的动态特性。基于欧拉-伯努利梁方程对悬臂梁进行建模，结合雷诺方程建立悬臂阻尼作用的分析模型，研究悬臂压膜阻尼效应的主要影响因素，分析不同谐振模态下压膜阻尼效应对悬臂阻尼系数、动态原子力显微镜的测量特性的影响，并基于多模态原子力显微镜进行了实验和测试。理论及实验结果表明，空气压膜阻尼对于基础谐振模态原子力显微镜的测量特性有一定的影响，在悬臂试样20~2 μm逼近过程中，悬臂品质因数明显降低，两种悬臂振幅分别减少了7.8%和20.6%，悬臂宽度增大则受到的压膜阻尼影响也增加；相同实验条件下，二阶谐振模态下的悬臂品质因数和振幅均没有明显变化。在基础谐振模态下压膜阻尼效应会引起微悬臂品质因数的降低，从而导致原子力显微镜测量分辨率的减小和测量速度的降低；多模态原子力显微镜的高阶谐振模态可显著降低空气压膜阻尼效应对悬臂品质因数及测量特性的影响。
原子力显微镜 压膜阻尼 品质因数 高阶谐振 atomic force microscopy squeeze film damping quality factor higher-order resonant 光学 精密工程
2022, 30(19): 2362
合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
研制了一套以数字信号处理 (DSP)芯片为控制器的一维纳米定位控制系统。该系统主要由驱动平台、微型迈克尔逊干涉仪、DSP控制器等三个模块组成。其中驱动平台模块由线性滑轨、超声波马达HR4和驱动器AB2组成。HR4配合其专用驱动器AB2利用摩擦力来驱动侧面贴有陶瓷片的线性滑轨, 微型迈克尔逊干涉仪用来感测滑轨的位移。基于BP神经网络的PID控制算法和迈克尔逊干涉仪的信号处理运算全部由DSP控制器完成。实验结果表明, 该定位系统行程为20 mm, 定位精度优于10 nm, 重复定位标准偏差为7 nm。该定位系统具有系统架构简单, 定位精度高等优点, 可用于大行程高精度定位应用场合。
定位控制系统 DSP芯片 迈克尔逊干涉仪 BP神经网络 positioning control system DSP chip Michelson interferometer BP neural network 红外与激光工程
2018, 47(10): 1017005
1 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥 230009
2 合肥工业大学电子科学与应用物理学院，合肥 230009
基于迈克尔逊干涉原理和激光自准直原理，采用共光路布局，研制了能对运动工作台同时进行一维位移和二维角度测量的三自由度激光测量系统。在位移测量中，采用光程差放大技术，并结合偏振干涉技术和信号差分处理，得到高质量的位移输出信号和高分辨力的位移测量结果。在角度测量中，运动工作台的偏摆和俯仰运动会引起固定在工作台上的反射镜位置变化。入射光被反射镜反射，并被四象限探测器探测，根据四象限探测器上的光斑位置变化，获得偏摆角和俯仰角的变化值。对研制的系统进行稳定性和分辨力测试，同时与英国雷尼绍XL-80激光干涉仪进行比对实验。实验结果表明：测量系统的位移分辨力为0.8 nm，角度分辨力为0.2″；在50 mm的测量范围内，与雷尼绍XL-80激光干涉仪测量值相比，系统的位移最大偏差小于100 nm，偏摆角最大偏差为0.5″，俯仰角最大偏差为0.4″。
共光路 激光 偏振干涉 自准直 同时测量 common optical path laser polarization interference auto-collimation simultaneous measurement
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009
动态原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)是通过检测悬臂谐振状态的变化来对物体表面形貌进行测量的。通过对谐振状态的三种因素即振幅、相位、频率的检测, 动态AFM可以分为三种工作模式, 即振幅反馈、相位反馈与频率反馈模式, 这三种反馈模式有着不同的扫描特点。基于硅悬臂具有高阶谐振的特性, 动态原子力显微镜可以在悬臂工作于高阶谐振状态时对物体进行扫描。综合上述工作模式研制了一套多模态动态AFM, 可以在三种反馈模式、不同阶谐振状态下对物体进行扫描测量。利用该系统在不同反馈模式、不同阶谐振状态下进行了扫描测试, 结果显示, 系统在各模式下具有亚纳米分辨力, 其中在相位反馈模式, 悬臂二阶谐振时可达到最优灵敏度与分辨力, 分别为17.5V/μm和0.29nm, 在最优灵敏度与分辨力状态下对光栅试样进行了三维扫描, 得到光栅的三维形貌图。
动态AFM 振幅反馈 相位反馈 频率反馈 高阶谐振 Dynamic AFM amplitude feedback phase feedback frequency feedback high-order resonance
1 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
2 北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心 光电测试技术北京市重点实验室，北京 100192
研究并实现了一种基于256像元线阵InGaAs扫描的光纤布拉格光栅传感解调系统。针对线阵InGaAs探测器，分析了光纤光栅反射谱中心波长定位原理，可实现多个FBG光谱的同时解调，单通道解调传感器数量取决于FBG的带宽和中心波长漂移范围。对256个像素点的光谱数据，通过设置的阈值判断反射谱的个数，分别对每一个谱峰进行拟合，基于高斯指数曲线模型实现了寻峰算法，获得了中心波长。搭建FBG解调系统采集光谱数据，寻峰算法的稳定性达到±0.5 pm。该解调方法无机械移动部件，实现了多光纤光栅波长寻峰的并行快速响应，波长解调范围为1 525～1 570 nm，为多光纤光栅传感提供了高速解调方案。
光纤布拉格光栅解调 InGaAs探测器 256像元 中心波长检测 高斯曲线 fiber Bragg grating demodulation InGaAs detector 256 pixels central wavelength measurement Gaussian curve 红外与激光工程
2016, 45(1): 0122004
合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院 安徽 合肥 230009
利用原子力显微镜(AFM)硅悬臂器件具有多阶谐振模态的特性, 提出了基于硅悬臂高阶谐振特性构建动态AFM来实现快速扫描的方法, 并研制了可工作于一阶模态和高阶模态的AFM。介绍了高阶谐振AFM系统的基本结构和工作原理, 从理论上证明了利用硅悬臂梁高阶谐振特性实现快速扫描的可行性。以自制的AFM为研究对象, 分析了影响动态AFM扫描速度的主要因素, 对系统各模块的响应时间进行了分析、测试, 并通过实验证明了AFM在二阶谐振模态下的稳定时间明显小于一阶谐振模态下的稳定时间。最后, 分别用一阶、二阶谐振模态对光栅试样在同一区域的表面形貌进行了扫描测试, 测试数据表明: 在相同条件下, AFM的扫描速度在二阶谐振模态下约是一阶模态下的3.3倍。理论分析和实验结果证明了利用高阶谐振探针提高AFM扫描速度的可行性和有效性。
原子力显微镜(AFM) 硅悬臂梁 高阶谐振 扫描速度 Atomic Force Microscope (AFM) silicon cantilever higher-order resonance scanning speed
合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
基于宏微组合驱动方式, 提出一种具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台设计方案来减小精密测量系统中由于工作台定位及角度误差引入的测量误差。首先, 从原理上对设计方案进行了论证。该方案中宏动工作台和微动工作台共用位置反馈系统构成闭环控制, 并基于压电陶瓷致动器及柔性铰链设计的六自由度微动工作台对宏动工作台进行直线定位误差及角度误差的综合补偿。然后, 基于设计方案设计了宏动工作台及微动工作台的结构。最后, 对安装调试后的宏微工作台系统进行了直线组合定位测试及角度误差修正测试。实验结果表明, 该工作台系统的宏动行程达到了200 mm×200 mm; 在闭环控制下, 通过六自由度微动工作台的补偿作用可使各角度偏差由上百秒降至10″以内, 由此工作台系统在全行程内的直线定位误差可由3 μm降至25 nm以内。实验结果验证了提出的组合定位系统的有效性。
六自由度工作台 宏微二级驱动 纳米定位 角度误差补偿 6-DOF stage macro-micro dual driving nano-positioning angle error correction
合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
为避免常规三坐标测量机(CMM)中的阿贝误差, 同时降低导轨运动误差对测量机测量不确定度的影响, 研制了一种在三维测量方向上同时符合阿贝原则的纳米CMM工作台。该工作台做三维运动, x导轨和y导轨采用共平面结构; 工作台三维测量系统的测量线正交于一点且正交点与测头中心点重合, x向和y向测量系统的测量线与xy导轨面共面。针对本工作台的特点, 在参考常规三坐标测量机误差分析的基础上, 详细分析了该工作台中各项误差的影响, 给出了影响测量机不确定度的主要误差源, 并对这些误差提出了修正方法。在研制的工作台上对一等量块进行了实验测试。结果显示, 一等量块工作面的平面度测量标准差为11 nm, 台阶高度标准差为21 nm, 其中台阶高度测量平均值与检定值相差1 nm。理论分析和实验结果表明, 所研制的工作台从结构上避免了CMM中多项误差源的影响, 尤其是避免了阿贝误差的影响, 可用于高精度的三维测量。
三维纳米工作台 纳米三坐标测量机 阿贝误差 误差修正 three-dimensional nano-stage nano Coordinate Measuring Machine(nano-CMM) Abbe error error correction
