光学式雷射即时侦测双轴精密定位系统之研制童景贤机械工程系摘要在.PDFVIP

教專研 098P-043 光學式雷射即時偵測雙軸精密定位系統之研製 光學式雷射即時偵測雙軸精密定位系統之研製 童景賢 機械工程系 摘要 在奈米科技領域中， 有許多的應用都需要高精度的微定位平台為載具。對微定位平 台的研究，一般都以壓電陶瓷 來驅動平台以移動工件，此類平台僅提供幾十微米以下的 短行程微動位移。近年來在長行程奈米定位平台的研究以 一維居多，且以長行程的粗位 移加上微動位移的兩段式定位 為主，而位移量幾乎都以雷射干涉儀進行回授控制。但因 雷射干涉儀價格昂貴，使得線 上檢測極為耗費成本且部分平台結構及傳動元件取自工業 成品，使得誤差源無法避免，故定位準確度或精密度約只能達到1μm 至0.1μm 。 本計劃是利用其雷射光學讀寫頭製作DVD雷射探頭，以取代售價昂貴之雷射干涉 儀，並用來測量定位系 統上雙軸之位移並以DSP作即時控制。此微奈米雙軸精密定位平 台其精度可達到 ±200奈米，如此將可大為降低購置成本，以使產業界之相關應用更為普 及。 壹、緒論 （一）研究動機 在現代化工業中，由於高精度的產品需求 ，使得加工製程中，對於製造精度的要求 也愈趨嚴格，因此微機電和奈 米技術逐漸受到重視，相對的高精度的量測技術也愈顯重 要。近年來，精密工業發展蓬 勃，無論是通訊、光電、生物科技、精密機械或半導體等 相關的產業，都有趨向小型化 、精密化及細微化，因此對於微米、次微米甚至於奈米的 定位精度之要求亦日漸提昇。 精密定位技術在產業方面的應用極為廣泛 ，例如微奈米檢測、半導體製程、生物細 胞領域、醫學顯微量測、光機電系統、工具機定位、顯微儀器、精密量測儀器等，同時 在奈米科技領域裡面亦是不可 缺的技術，其產業價值無可限量。精密定位技術是精密產 品製造、精密尺寸測量、精密 機械檢測與運轉之關鍵技術 。隨著精密工程的不斷進步， 不論是半導體產業、精密機械工業、生物細胞篩選、微機電系統、顯微機構、表面工程、 STM 、SPM 等方面，皆朝微小化、精密化的方向前進，而且與精密定位系統息息相關， 並扮演著重要關鍵的角色，因此對於精密定位技術有著越來越高的要求，並受到極大的 重視。 精密定位技術中之雙軸微奈米平台之研製為本研究之目標，以下將針對本研究之最 主要的兩部分:雷射感測器與精密定位平台，作更進一步的探討。 98-529 機械工程系-童景賢 教專研 098P-043 光學式雷射即時偵測雙軸精密定位系統之研製 （二）雷射感測器 由於非接觸式量測在測量時不會對工件造 成損害，且在處理大量點資料上具有較佳 效率，因此最能符合工業界的檢測需求，所以非接觸式量測已成為工業量測之趨勢。現 階段的非接觸式量測技術常見的有 : 光學切換式(Optical switching sensor) 、CCD取像技 術及位置敏銳偵測法 (Position sensitive detector, PSD) 。其中位置敏銳偵測法因為精度高， 因此對於微奈米級量測之需求，最為合適。 市面上之非接觸式光學量測儀，例如光纖位移計MTI KD-300 精度只能達5微米，售 價就需十萬元；例如雷射位移量测系统 MTI MicrotrakII ，精度能達1微米，其售價至少三 十多萬元；而雷射干涉儀HP5529A ，其售價甚至於達壹佰多萬元，其精度能達50奈米。 由此可知，微奈米等級之光學量測儀之售價極為昂貴，較難使用於一般較低成本微動定 位系統上。 一般而言， DVD是利用紅光雷射去讀取光碟片軌道上的資料，而主要是利用雷射讀 取頭來達成。 紅光雷射光學讀取技術經過二十多年來的演進，讀取範圍已從CD的 1.6微米軌距進步 到DVD的 0.74微米，而目前一套紅光雷射 DVD Player 之售價可低於兩千台幣，非常適用 於低成本雷射探頭之發展。 （三）雙軸精密定位平台