微奈米精密定位平台之即时监控系统之控制.PDF

教專研097P-035 微奈 米精密定位平台之即時監控系統之控制 微奈米精密定位平台之即時監控系統之控制 童景賢 機械工程系 摘要 隨著科技的日新月異 ，已經從微米時代走入了奈米時代 ，而在奈米科技領域中，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 。 本計劃是使用市面上之 DVD player ，並利用其雷射 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 X-Y軸之位移並以 DSP作即時控 制 。此微奈米精密定位平台 其精度可達到±250 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，例如工具機 、醫學顯微儀器 、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。 以下將針 對本研究之最主要的兩部分:精密定位平台與雷射感測器 ，作更深入探討。 （一） 精密定位平台方面 微奈米精密定位技術之研究 ，一般是以壓電驅動平台來移動工件 ，此類型平台可提 供數十微米之微動位移 ;而對較長行程範園微奈米位移之研究，則需長行程平台來移動工 件 ，一般可提供幾厘米的位移量及數十奈米之精度 。 97-347 機械工程系-童景賢 教專研097P-035 微奈 米精密定位平台之即時監控系統之控制 近年來 ，長行程奈米定位平台之研究以一維自由度居多 ，且以長行程的粗位移加上 微動位移的兩段式定位為主 ，如此可同時解決微動行程位移時間過久與長行程定位精度 不足之問題 。兩段式定位之第一段的長行程可由伺服馬達驅動導螺桿，或線性馬達再加 上空氣軸承及導軌 ，或音圈馬達配上導軌等機台來達成；第二段之微動位移平台則多以 壓電陶磁驅動 ，也有使用 PZT 驅動位移平台以類似於尺蠖蟲蠕動的方式 (Inch-worm Motion)來達到精密定位的要求。除此之外 ，亦可利用摩擦驅動(Friction drive)直接作長行 程的定位 。 上述之各種方式所產生的位移量 ，幾乎都以雷射干涉儀測量並據以進行回饋控制。 此類平台因使用雷射干涉儀故位置解析度可到奈米等級， ；但由於雷射干涉儀價格昂貴 ， 使得利用雷射干涉儀線上檢測極為耗費成本 。 （二） DVD雷射探頭 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-