專利名稱：微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的微納制造儀器裝備領(lǐng)域，具體涉及ー種基于視覺與力覺引導(dǎo)的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種微納加工技術(shù)得到發(fā)展和應(yīng)用。在各種基于模板和基底的微納加工過程當(dāng)中，設(shè)置精確的初始加工原位是保證穩(wěn)定高效批量加工的必要條件。如在電化學(xué)微納加工過程中，為了保證加工精度，在加工之前，首先需要確定加工工具或模板和基底兩個(gè)電極之間的相對(duì)位置，并控制模板運(yùn)動(dòng)使其達(dá)到所需的初始加工間距。因此，在加工之前必須實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的逼近和零點(diǎn)位置檢測(cè)。在納米壓痕和原子力顯微鏡納米加工等加工過程中，同樣需要使工具和樣品之間的接觸和間距達(dá)到納米級(jí)的精度。
經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，在微細(xì)電解加工中根據(jù)電極接觸前后的電壓突變來(lái)確定電極間距的零點(diǎn)位置，從而精確設(shè)置初始加工原位。但逼近過程只是使用了步進(jìn)電機(jī)，從而限制了零點(diǎn)位置的精度。并且進(jìn)給速度過快容易造成零位超前，造成電極損傷，而且該類方法只適合導(dǎo)電材料。在原子力顯微鏡探針逼近系統(tǒng)中，根據(jù)檢測(cè)微懸臂的偏轉(zhuǎn)量作為判斷接觸的標(biāo)準(zhǔn)，但是該類系統(tǒng)沒有配套的快速逼近裝置，因此逼近過程速度較慢。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中基于模板和基底的微納加工エ藝存在零點(diǎn)定位精度低、易造成零位超前導(dǎo)致模板損傷，適用范圍窄，或加工速度慢的技術(shù)問題。因此，本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度快速加工且適用范圍廣泛的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供ー種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度快速加工且適用范圍廣泛的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置。本發(fā)明的另一目的在于提供ー種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度快速加工且適用范圍廣泛的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，用以實(shí)現(xiàn)模板的高精度快速定位和模板-基底間隙高精度的控制，包括固定機(jī)架、宏動(dòng)平臺(tái)、微動(dòng)平臺(tái)、微力檢測(cè)裝置、加工槽、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，宏動(dòng)平臺(tái)連接至固定機(jī)架，微動(dòng)平臺(tái)與宏動(dòng)平臺(tái)連接，微力檢測(cè)裝置與微動(dòng)平臺(tái)連接，用以檢測(cè)模板和基底之間的接觸力；加工槽設(shè)置在固定機(jī)架底部框架上，基底設(shè)置在加工槽內(nèi)，模板與微動(dòng)平臺(tái)連接；視覺系統(tǒng)設(shè)置在加工槽側(cè)面，用以實(shí)時(shí)檢測(cè)模板和基底之間的距離，控制系統(tǒng)分別與宏動(dòng)平臺(tái)、微動(dòng)平臺(tái)、微力檢測(cè)裝置和視覺系統(tǒng)連接，用以根據(jù)視覺系統(tǒng)和微力檢測(cè)裝置檢測(cè)到的模板與基底之間間距及接觸力控制宏動(dòng)平臺(tái)和微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，該控制系統(tǒng)包括
數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊分別與微力檢測(cè)裝置、視覺系統(tǒng)和處理器連接，用以接收微力檢測(cè)裝置和視覺系統(tǒng)檢測(cè)到的接觸カ和間距數(shù)據(jù)，并將檢測(cè)到的接觸力和間距數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器；存儲(chǔ)模塊用以預(yù)先存儲(chǔ)待測(cè)模板和基底之間的間距上限值及下限值以及接觸力閾值；處理器分別與數(shù)據(jù)采集模塊和存儲(chǔ)模塊連接，用以將接收到的接觸力和間距數(shù)據(jù)與預(yù)先存儲(chǔ)的間距上限值及下限值和接觸力閾值進(jìn)行比較，井根據(jù)比較結(jié)果發(fā)送控制信號(hào)至輸出模塊，控制宏動(dòng)平臺(tái)和微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)；以及，
輸出模塊分別與處理器和宏動(dòng)平臺(tái)以及微動(dòng)平臺(tái)連接，用以將接收到的控制信號(hào)發(fā)送至宏動(dòng)平臺(tái)或微動(dòng)平臺(tái)。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，該模板和基底之間的間距上限值為200 μ m，下限值為50 μ m,當(dāng)視覺檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到間距小于200 μ m后,宏動(dòng)平臺(tái)降速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到間距小于50 μ m后,宏動(dòng)臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，該微力檢測(cè)裝置包括雙平行四桿彈性平臺(tái)、高精度電容式位移傳感器、固定座，固定座與微動(dòng)平臺(tái)連接，雙平行四桿彈性平臺(tái)與固定座連接，高精度電容式位移傳感器與雙平行四桿彈性平臺(tái)連接。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，該視覺系統(tǒng)包括分別設(shè)置在加工槽兩側(cè)的CXD攝像機(jī)和LED光源，且CXD攝像機(jī)和LED光源均與控制系統(tǒng)連接。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，該宏動(dòng)平臺(tái)包括帶諧波減速器的步進(jìn)電機(jī)，定位型高精度磨制級(jí)滾珠絲杠和交叉滾子直線導(dǎo)軌，交叉滾子直線導(dǎo)軌設(shè)置在固定機(jī)架框架上，定位型高精度磨制級(jí)滾珠絲杠與宏動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)相連設(shè)置在交叉滾子直線導(dǎo)軌上并與帶諧波減速器的步進(jìn)電機(jī)連接。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，該微動(dòng)平臺(tái)包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、單自由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈和高精度電容傳感器，單自由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)與宏動(dòng)平臺(tái)連接，高精度電容傳感器與單自由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)連接，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與單自由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)連接。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供一種微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)方法，包括以下步驟步驟一，宏動(dòng)平臺(tái)快速逼近在模板遠(yuǎn)離基底處，控制系統(tǒng)啟動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)模板高速進(jìn)給，同時(shí)啟動(dòng)視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)高速進(jìn)給過程中模板與基底的間距，當(dāng)檢測(cè)到間距小于上限值后，宏動(dòng)平臺(tái)降速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到間距小于下限值后，宏動(dòng)平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)，快速逼近過程結(jié)束；步驟ニ，宏微動(dòng)平臺(tái)切換逐次逼近宏動(dòng)平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)后，控制系統(tǒng)啟動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)勻速進(jìn)給，并且啟動(dòng)微力感應(yīng)裝置檢測(cè)接觸力的變形量是否超過設(shè)定的閾值，若連續(xù)運(yùn)動(dòng)一段距離的整個(gè)過程中均未檢測(cè)到超出閾值，則微動(dòng)平臺(tái)縮回，同時(shí)宏動(dòng)平臺(tái)下降，之后微動(dòng)平臺(tái)繼續(xù)向下進(jìn)給，宏微動(dòng)平臺(tái)反復(fù)切換，直至模板與基底的接觸カ達(dá)到閾值；
步驟三，為確定系統(tǒng)原點(diǎn)位置，達(dá)到接觸力閾值后，微動(dòng)平臺(tái)上提直至檢測(cè)到微力感應(yīng)裝置變形量恢復(fù)到零，用于釋放微力感應(yīng)裝置的接觸變形，當(dāng)檢測(cè)到變形量恢復(fù)到零后，確定當(dāng)前位置作為加工零位。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)方法，步驟一中，間距上限值為200 μ m，下限值為50 μ m，當(dāng)檢測(cè)到間距小于200 μ m后，宏動(dòng)平臺(tái)速度降為原先的1/5繼續(xù)進(jìn)行逼近。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)方法，步驟二具體為微動(dòng)平臺(tái)以lnm/ms的速度勻速進(jìn)給，并且微力感應(yīng)裝置檢測(cè)每隔Ims檢測(cè)一次接觸力的變形量是否超過設(shè)定的閾值，若連續(xù)運(yùn)動(dòng)6 μ m的整個(gè)過程中均未檢測(cè)到超出閾值，則微動(dòng)平臺(tái)縮回6 μ m,同時(shí)宏動(dòng)平臺(tái)下降5 μ m,之后微動(dòng)平臺(tái)繼續(xù)向下進(jìn)給6 μ m,宏微動(dòng) 平臺(tái)如此反復(fù)切換，直至模板與基底的接觸力達(dá)到閾值。本發(fā)明依靠機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模板的宏動(dòng)快速逼近，并依靠高精度電容傳感器和柔性機(jī)構(gòu)的高靈敏度微力檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)宏微動(dòng)切換逐次逼近。通過基于視覺與力覺引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了加工模板全自動(dòng)快速逼近基底，加工精度高、自動(dòng)化程度高。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)、本發(fā)明采用機(jī)器視覺系統(tǒng)作為模板基底間距較大時(shí)的快速逼近過程中的位置反饋，減少了整個(gè)逼近過程所需要的時(shí)間，提高了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。(2)、本發(fā)明采用高精度電容位移傳感器和彈性機(jī)構(gòu)作為檢測(cè)微力裝置，相比于傳統(tǒng)力傳感器，提高了靈敏度和分辨率，使逼近過程具有更高的精度，達(dá)到納米級(jí)。(3)、本發(fā)明采用宏微切換逐次逼近，使模板和基底接觸只發(fā)生在微動(dòng)平臺(tái)的慢速進(jìn)給過程中，避免了原位超前，原點(diǎn)位置更加準(zhǔn)確，且不會(huì)造成模板損傷，適用范圍廣泛。


圖I為本發(fā)明微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)方法的流程框圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的模板位置在逼近過程中的高度變化示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的微力檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例的視覺檢測(cè)系統(tǒng)在逼近過程中采集到的對(duì)應(yīng)各間距的圖像。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明。請(qǐng)參閱圖1，一種微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，用以模板5的高精度快速定位和模板5-基底7間隙高精度的控制，包括固定機(jī)架I、宏動(dòng)平臺(tái)2、微動(dòng)平臺(tái)3、微力檢測(cè)裝置4、加工槽6、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)13。宏動(dòng)平臺(tái)2連接至固定機(jī)架1，微動(dòng)平臺(tái)3與宏動(dòng)平臺(tái)2連接，微力檢測(cè)裝置4與微動(dòng)平臺(tái)3連接，用以檢測(cè)模板5和基底7之間的接觸力；加工槽6設(shè)置在固定機(jī)架I底部框架上，基底7設(shè)置在加工槽6內(nèi)，模板5與微動(dòng)平臺(tái)3連接；視覺系統(tǒng)設(shè)置在加工槽6側(cè)面，用以實(shí)時(shí)檢測(cè)待測(cè)模板5和基底7之間的距離，其包括分別設(shè)置在加工槽6兩側(cè)的CXD攝像機(jī)8和LED光源9，CXD攝像機(jī)8和LED光源9均與控制系統(tǒng)13連接?？刂葡到y(tǒng)13分別與宏動(dòng)平臺(tái)2、微動(dòng)平臺(tái)3、微力檢測(cè)裝置4和視覺系統(tǒng)連接，用以根據(jù)視覺系統(tǒng)和微力檢測(cè)裝置4檢測(cè)到的模板5與基底7之間的間距及接觸力控制宏動(dòng)平臺(tái)2和微動(dòng)平臺(tái)3運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步地,宏動(dòng)平臺(tái)包括帶諧波減速器的步進(jìn)電機(jī),定位型高精度磨制級(jí)滾珠絲杠和交叉滾子直線導(dǎo)軌，交叉滾子直線導(dǎo)軌設(shè)置在固定機(jī)架框架上，定位型高精度磨制級(jí)滾珠絲杠與宏動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)相連設(shè)置在交叉滾子直線導(dǎo)軌上并與帶諧波減速器的步進(jìn)電機(jī)連接。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、單自由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈和高精度電容傳感器，單自由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)與宏動(dòng)平臺(tái)連接，高精度電容傳感器與單自由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)連接，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與單自·由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)連接。如圖4所示，微力檢測(cè)裝置包括雙平行四桿彈性平臺(tái)10、高精度電容式位移傳感器11和固定座12，固定座與微動(dòng)平臺(tái)連接，雙平行四桿彈性平臺(tái)與固定座連接，高精度電容式位移傳感器與雙平行四桿彈性平臺(tái)連接。模板5和基底7的接觸力垂直向上作用于彈性平臺(tái)10上，使分布于彈性平臺(tái)四周的柔性梁產(chǎn)生彈性變形，固定在彈性平臺(tái)上的高精度電容傳感器11檢測(cè)彈性平臺(tái)10受力后的微位移，根據(jù)彈性平臺(tái)柔性梁的整體剛度，即可換算出相應(yīng)的接觸力。視覺檢測(cè)系統(tǒng)由安裝在模板5和基底7側(cè)面，用于觀測(cè)兩者間距的CXD攝像機(jī)8和LED光源9以及相應(yīng)的圖像處理軟件模塊組成。選用了能夠在較大光學(xué)放大的同時(shí)保持較大景深的遠(yuǎn)心鏡頭，配合C⑶工業(yè)相機(jī)以達(dá)到像素的高分辨，同時(shí)也能夠滿足工作距離和景深的要求。選用LED光源9作為輔助光源，以提高CCD拍攝到的圖像質(zhì)量，保證檢測(cè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。圖像處理軟件模塊主要采用了基于邊緣提取的輪廓檢測(cè)算法和直線最小間距算法粗略估計(jì)模板5與基底7之間的距離?？刂葡到y(tǒng)13包括數(shù)據(jù)采集模塊、存儲(chǔ)模塊、處理器和輸出模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊分別與微力檢測(cè)裝置4、視覺系統(tǒng)和處理器連接，用以接收微力檢測(cè)裝置4和視覺系統(tǒng)檢測(cè)到的接觸力和間距數(shù)據(jù)，并將檢測(cè)到的接觸力和間距數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器。存儲(chǔ)模塊用以預(yù)先存儲(chǔ)待測(cè)模板5和基底7之間的間距上限值及下限值以及接觸力閾值。處理器分別與數(shù)據(jù)采集模塊和存儲(chǔ)模塊連接，用以將接收到的接觸力和間距數(shù)據(jù)與預(yù)先存儲(chǔ)的間距上限值及下限值和接觸力閾值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果發(fā)送控制信號(hào)至輸出模塊，控制宏動(dòng)平臺(tái)2和微動(dòng)平臺(tái)3運(yùn)動(dòng)。輸出模塊分別與處理器和宏動(dòng)平臺(tái)2以及微動(dòng)平臺(tái)3連接，用以將接收到的控制信號(hào)發(fā)送至宏動(dòng)平臺(tái)2或微動(dòng)平臺(tái)3。更為具體地，待測(cè)模板和基底之間的間距上限值為200 μ m，下限值為50 μ m,當(dāng)檢測(cè)到間距小于200 μ m后，宏動(dòng)平臺(tái)降速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到間距小于50 μ m后，宏動(dòng)臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。如圖2所示，本發(fā)明還提供一種微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)方法，包括以下步驟步驟一，宏動(dòng)平臺(tái)快速逼近在模板遠(yuǎn)離基底處，控制系統(tǒng)啟動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)模板高速進(jìn)給，同時(shí)啟動(dòng)視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)高速進(jìn)給過程中模板與基底的間距，當(dāng)檢測(cè)到間距小于上限值后，宏動(dòng)平臺(tái)降速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到間距小于下限值后，宏動(dòng)平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)，快速逼近過程結(jié)束。
在模板5遠(yuǎn)離基底7處，啟動(dòng)宏動(dòng)快速逼近模式，宏動(dòng)平臺(tái)2帶動(dòng)模板5高速向下運(yùn)動(dòng)，逼近基底7，同時(shí)機(jī)器視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)高速逼近過程中模板5與基底7之間的距離，當(dāng)檢測(cè)到間距小于200 μ m后，宏動(dòng)平臺(tái)2速度降為原先的1/5繼續(xù)進(jìn)行慢速逼近，當(dāng)檢測(cè)到間距小于50 μ m后，宏動(dòng)平臺(tái)2停止，快速逼近過程結(jié)束。步驟二，宏微動(dòng)平臺(tái)切換逐次逼近宏動(dòng)平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)后，控制系統(tǒng)啟動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)勻速進(jìn)給，并且啟動(dòng)微力感應(yīng)裝置檢測(cè)接觸力的變形量是否超過設(shè)定的閾值，若連續(xù)運(yùn)動(dòng)一段距離的整個(gè)過程中均未檢測(cè)到超出閾值，則微動(dòng)平臺(tái)縮回，同時(shí)宏動(dòng)平臺(tái)下降，之后微動(dòng)平臺(tái)繼續(xù)向下進(jìn)給，宏微動(dòng)平臺(tái)反復(fù)切換，直至模板與基底的接觸力達(dá)到閾值。宏動(dòng)平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)后，系統(tǒng)進(jìn)入宏微動(dòng)切換逐次逼近過程，此時(shí)微動(dòng)平臺(tái)3以lnm/ms的速度帶動(dòng)模板5逼近基底7，同時(shí)由微力檢測(cè)裝置4實(shí)時(shí)檢測(cè)模板5和基底7之間的接觸力是否超過設(shè)定的接觸力閾值，若在微動(dòng)平臺(tái)3向下運(yùn)動(dòng)6 μ m的整個(gè)過程中均未檢測(cè)到超出閾值，則微動(dòng)平臺(tái)3往上縮回6 μ m,同時(shí)宏動(dòng)平臺(tái)2下降5 μ m，之后微動(dòng)平臺(tái)3繼續(xù)按之前速率向下進(jìn)給6 μ m。宏微動(dòng)如此反復(fù)切換，直至模板5與基底7的接觸力達(dá)到閾值。此過程中，宏動(dòng)平臺(tái)2和微動(dòng)平臺(tái)3的指令值以及模板5在逼近過程中的高度值和 微力感應(yīng)裝置4檢測(cè)到的接觸力值如圖3所示。步驟三，為確定系統(tǒng)原點(diǎn)位置，達(dá)到接觸力閾值后，微動(dòng)平臺(tái)上提直至檢測(cè)到微力感應(yīng)裝置變形量恢復(fù)到零，用于釋放微力感應(yīng)裝置的接觸變形，當(dāng)檢測(cè)到變形量恢復(fù)到零后，確定當(dāng)前位置作為加工零位。如圖5所示，以微力感應(yīng)裝置4中的彈性元件變形量閾值為30nm (對(duì)應(yīng)于接觸力為4. 68g)進(jìn)行了逼近實(shí)驗(yàn)，可見模板順利快速到達(dá)基底表面，并在接觸后，提升一定高度確定了加工零位。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施實(shí)例而已，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，任何未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施實(shí)例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍。
權(quán)利要求
1.一種微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，用以模板的高精度快速定位和模板-基底間隙高精度的控制，其特征在于，包括固定機(jī)架、宏動(dòng)平臺(tái)、微動(dòng)平臺(tái)、微力檢測(cè)裝置、加工槽、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述宏動(dòng)平臺(tái)連接至所述固定機(jī)架，所述微動(dòng)平臺(tái)與所述宏動(dòng)平臺(tái)連接，所述微力檢測(cè)裝置與所述微動(dòng)平臺(tái)連接，用以檢測(cè)模板和基底之間的接觸力；所述加工槽設(shè)置在所述固定機(jī)架底部框架上，基底設(shè)置在加工槽內(nèi)，模板與所述微動(dòng)平臺(tái)連接；所述視覺系統(tǒng)設(shè)置在所述加工槽側(cè)面，用以實(shí)時(shí)檢測(cè)模板和基底之間的距離，所述控制系統(tǒng)分別與所述宏動(dòng)平臺(tái)、微動(dòng)平臺(tái)、微力檢測(cè)裝置和視覺系統(tǒng)連接，用以根據(jù)所述視覺系統(tǒng)和微力檢測(cè)裝置檢測(cè)到的模板與基底之間間距及接觸力控制所述宏動(dòng)平臺(tái)和微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求I所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括 數(shù)據(jù)采集模塊所述數(shù)據(jù)采集模塊分別與所述微力檢測(cè)裝置、視覺系統(tǒng)和處理器連接，用以接收所述微力檢測(cè)裝置和視覺系統(tǒng)檢測(cè)到的接觸力和間距數(shù)據(jù)，并將檢測(cè)到的接觸力和間距數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器； 存儲(chǔ)模塊用以預(yù)先存儲(chǔ)待測(cè)模板和基底之間的間距上限值及下限值以及接觸力閾值； 處理器分別與所述數(shù)據(jù)采集模塊和存儲(chǔ)模塊連接，用以將接收到的接觸力和間距數(shù)據(jù)與預(yù)先存儲(chǔ)的間距上限值及下限值和接觸力閾值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果發(fā)送控制信號(hào)至輸出模塊，控制所述宏動(dòng)平臺(tái)和微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)；以及， 輸出模塊分別與所述處理器和宏動(dòng)平臺(tái)以及微動(dòng)平臺(tái)連接，用以將接收到的控制信號(hào)發(fā)送至所述宏動(dòng)平臺(tái)或微動(dòng)平臺(tái)。
3.如權(quán)利要求2所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述待測(cè)模板和基底之間的間距上限值為200iim，下限值為50iim，當(dāng)檢測(cè)到間距小于200 V- m后,宏動(dòng)平臺(tái)降速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到間距小于50 V- m后,宏動(dòng)臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求I所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述微力檢測(cè)裝置包括雙平行四桿彈性平臺(tái)、高精度電容式位移傳感器、固定座，所述固定座與所述微動(dòng)平臺(tái)連接，所述雙平行四桿彈性平臺(tái)與所述固定座連接，所述高精度電容式位移傳感器與所述雙平行四桿彈性平臺(tái)連接。
5.如權(quán)利要求I所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述視覺系統(tǒng)包括分別設(shè)置在所述加工槽兩側(cè)的CXD攝像機(jī)和LED光源，且所述CXD攝像機(jī)和LED光源均與所述控制系統(tǒng)連接。
6.如權(quán)利要求I所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的宏動(dòng)平臺(tái)包括帶諧波減速器的步進(jìn)電機(jī)，定位型高精度磨制級(jí)滾珠絲杠和交叉滾子直線導(dǎo)軌，所述交叉滾子直線導(dǎo)軌設(shè)置在所述固定機(jī)架框架上，所述定位型高精度磨制級(jí)滾珠絲杠與所述宏動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)相連設(shè)置在所述交叉滾子直線導(dǎo)軌上并與所述帶諧波減速器的步進(jìn)電機(jī)連接。
7.如權(quán)利要求I所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的微動(dòng)平臺(tái)包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、單自由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈和高精度電容傳感器，所述單自由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)與所述宏動(dòng)平臺(tái)連接，所述高精度電容傳感器與所述單自由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)連接，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與所述單自由度復(fù)合雙平行四桿柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)連接。
8.一種微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，宏動(dòng)平臺(tái)快速逼近在模板遠(yuǎn)離基底處，控制系統(tǒng)啟動(dòng)宏動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)模板高速進(jìn)給，同時(shí)啟動(dòng)視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)高速進(jìn)給過程中模板與基底的間距，當(dāng)檢測(cè)到間距小于上限值后，宏動(dòng)平臺(tái)降速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到間距小于下限值后，宏動(dòng)平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)，快速逼近過程結(jié)束； 步驟二，宏微動(dòng)平臺(tái)切換逐次逼近宏動(dòng)平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)后，控制系統(tǒng)啟動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)勻速進(jìn)給，并且啟動(dòng)微力感應(yīng)裝置檢測(cè)接觸力的變形量是否超過設(shè)定的閾值，若連續(xù)運(yùn)動(dòng)一段距離的整個(gè)過程中均未檢測(cè)到超出閾值，則微動(dòng)平臺(tái)縮回，同時(shí)宏動(dòng)平臺(tái)下降，之后微動(dòng)平臺(tái)繼續(xù)向下進(jìn)給，宏微動(dòng)平臺(tái)反復(fù)切換，直至模板與基底的接觸力達(dá)到閾值； 步驟三，為確定系統(tǒng)原點(diǎn)位置，達(dá)到接觸力閾值后，微動(dòng)平臺(tái)上提直至檢測(cè)到微力感應(yīng)裝置變形量恢復(fù)到零，用于釋放微力感應(yīng)裝置的接觸變形，當(dāng)檢測(cè)到變形量恢復(fù)到零后，確定當(dāng)前位置作為加工零位。
9.如權(quán)利要求8所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)方法，其特征在于，步驟一中，所述間距上限值為200 u m，下限值為50 u m,當(dāng)檢測(cè)到間距小于200 y m后，宏動(dòng)平臺(tái)速度降為原先的1/5繼續(xù)進(jìn)行逼近。
10.如權(quán)利要求8所述的微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)方法，其特征在于，步驟二具體為 微動(dòng)平臺(tái)以lnm/ms的速度勻速進(jìn)給，并且微力感應(yīng)裝置檢測(cè)每隔Ims檢測(cè)一次接觸力的變形量是否超過設(shè)定的閾值，若連續(xù)運(yùn)動(dòng)6 y m的整個(gè)過程中均未檢測(cè)到超出閾值，則微動(dòng)平臺(tái)縮回6iim,同時(shí)宏動(dòng)平臺(tái)下降5 iim,之后微動(dòng)平臺(tái)繼續(xù)向下進(jìn)給6 iim,宏微動(dòng)平臺(tái)如此反復(fù)切換，直至模板與基底的接觸力達(dá)到閾值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微納儀器裝備中模板快速逼近和原位檢測(cè)裝置，包括固定機(jī)架、宏動(dòng)平臺(tái)、微動(dòng)平臺(tái)、微力檢測(cè)裝置、加工槽、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，宏動(dòng)平臺(tái)連接至固定機(jī)架，微動(dòng)平臺(tái)與宏動(dòng)平臺(tái)連接，微力檢測(cè)裝置與微動(dòng)平臺(tái)連接，檢測(cè)模板和基底之間的接觸力；加工槽設(shè)置在固定機(jī)架底部框架上，基底設(shè)置在加工槽內(nèi)，模板與微動(dòng)平臺(tái)連接；視覺系統(tǒng)設(shè)置在加工槽側(cè)面，實(shí)時(shí)檢測(cè)模板和基底之間的距離，控制系統(tǒng)分別與宏動(dòng)平臺(tái)、微動(dòng)平臺(tái)、微力檢測(cè)裝置和視覺系統(tǒng)連接，根據(jù)視覺系統(tǒng)和微力檢測(cè)裝置檢測(cè)到的模板與基底之間間距及接觸力控制宏動(dòng)平臺(tái)和微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明具有加工精度高、自動(dòng)化程度高且適用范圍廣泛的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L5/00GK102680743SQ201210141008
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者周時(shí)禹, 朱利民, 谷國(guó)迎, 賴?yán)诮?申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)