用基于多波长干涉测量的传感器重新定义精密位置测量

这不是一个简单的任务来测量到纳米级-实现它需要仔细的工程和一个稳定的传感器。半导体光刻工具中用于工作台位置反馈的传感器可以定期实现这种精度;为了满足这一应用需求，ZYGO已经推出位移测量干涉仪(DMIs) 30年了。这一经验使该公司更好地理解了可靠地实现亚纳米精度所需的所有考虑因素。

ZPS是ZYGO的最新产品光学传感器系统提供具有亚风仪精度的绝对位置。如今，市场上有大量传感器可用，所有这些传感器都有这些能力 - 但没有行业标准的定义，很难比较两个完全不同的传感器并了解他们的相对性能。本文讨论了Zygo的经验，解释了描述位置传感器质量的共同术语，并演示ZPS如何使用Zygo的专利技术提供卓越的性能。¹

ZPS系统是一个基于光纤的干涉仪传感器，在1.2 mm行程范围内提供高重复性(0.5 nm 3σ)和低噪声(≤0.02 nm/√Hz)的绝对位置。系统支持多达64个同步频道以及用户可选择的高达208khz的数据速率。它最适合要求大量(>16)测量通道或要求最高质量的测量应用。

与编码器或电容计等其他技术相比，光学传感器具有许多优点。光学传感器对电磁干扰不敏感，能够直接测量，不产生任何热量。由于光纤电缆可以相对较长，比电缆更灵活，只有最小的布线限制。ZPS传感器高度紧凑，(3 × 27毫米)，允许测量应用在严重的空间限制。

它是如何工作的

ZPS集成了三种类型的干涉测量在一个设备:外差，多波长和耦合腔干涉测量(见图1)。

图1所示。底盘(a)和传感器(b)显示为一个ZPS绝对位置传感器;传感器是基于多波长(c)、外差和耦合腔干涉(d)。

多波长干涉法是一种重建方法绝对两个表面之间的距离通过求解方程的几个实例,2 d = mλ+φ,其中d表示目标和传感器之间的距离参考表面,φ是分数(残余)干涉项,波长λ。这些方程可以用Jean-René Benoît在1898年提出的精确分数法求解。

多波长干涉测量允许ZPS系统测量目标和传感器之间的实际距离。ZPS利用已知的三个波长，测量残余干涉项，然后求解m和d，实现了该方法。ZPS算法的重复性≤0.5 nm 3σ。在校准步骤中同时测量所有通道上的绝对距离，这大约需要1秒;之后采用外差位移干涉法来跟踪位置的变化。

外差干涉法采用两个频率的光，由于时间干扰产生恒定的信号。这个想法类似于调频广播，在调频广播中，载波频率被调制来发送信息，导致更低的噪声底板和改进的性能。这就是为什么音乐在调频广播中听起来更好的原因;位置干涉测量法也能得到更好的结果。为了产生载波频率，ZPS采用电光调制器。

为了测量短距离的位移，耦合腔干涉仪与低相干光源组合使用。干涉仪的测量臂的标称零点由参考腔决定。ZPS通过在未调制和调制光之间引入延迟来使用该架构。目标和传感器之间的标称支架由该路径延迟设定;对该路径延迟的变化将显示为目标中的明显运动。系统内的热稳定腔轨道跟踪路径延迟的变化，并实时从数据中删除该错误源。

表中显示了ZPS的关键性能规范，其中一些术语通常由所有传感器制造商公布。分辨率通常被认为是性能的指标，以及用于比较多个选项的指标。不幸的是，这个数字表明了不同的事情，这取决于发布它的公司。和往常一样，细节决定成败，阅读这些细则是了解传感器性能的必要条件。

规范

．	．
测量通道	64
工作距离	3.5毫米
噪声密度（3σ）	0.02 nm /√Hz
稳定	1 nm /天
非线性	±1 nm.
重复性（3σ）	0.5纳米
数字分辨率	0.01纳米
Max。数据速率	208千赫

分辨率是什么意思

分辨率可能是用来描述传感器性能的最容易被误解的术语。在某些情况下，分辨率只是设备最小的计数增量——噪声底可能要高几个数量级。在其他情况下，分辨率包括噪声，但要么隐藏在非常细微的印刷或未能指定带宽。滚动平均和低带宽交易动态响应更好的分辨率。如果没有明确说明，为了了解传感器的真实性能，有必要询问供应商指定分辨率的带宽。

ZYGO使用数字分辨率这一术语来表示可用的最小计数增量。这个数字应该低于噪声下限(但不要太远)，以解决传感器的噪声限制性能。对于ZPS, ZYGO指定一个与带宽无关的噪声(0.02 nm/√Hz)、数字分辨率(0.01 nm)和最大带宽(104 kHz)。所有这些规格都可以同时获得。

超出分辨率和噪声考虑，传感器中还有一些错误的误差来源，这些公司少于直接。所有这些来源都可以组合以形成总测量不确定度数，真正与特定应用中传感器的实际性能预期说话。Zygo了解我们产品的总测量不确定性，并与客户共享这一洞察力。

定义传感器的性能

传感器系统的总不确定度是对其性能的实际测量。理解不确定性可能相当复杂，甚至是一门研究生水平的大学课程。不确定性分析的主要目标是在统计上整合所有潜在的误差源，从而产生一个标准偏差。ISO的测量不确定度表达指南(也称为GUM)提供了对该过程的全面概述。²

除了噪声外，非线性、环境影响、安装和长度尺度的稳定性是位置传感器不确定性的主要来源。

鲍勃·霍肯，北卡罗莱纳大学夏洛特分校杰出教授，纳米精密计量中心前主任，曾说过，“我制造的每台机器也是一个温度计。”因此，毫无疑问，传感器行为受温度变化的影响。此外，任何非接触式传感器还必须在真空外操作时考虑气体含量，湿度和压力。折射仪配件ZPS.检测空气的实际折射率，并自动偏移传感器测量值与环境影响的实时亚纳米水平。

每种传感器技术都有自己的非线性源。关于干涉仪，这通常来自假反射和显示本身作为一个正弦误差在数据中，获得了一项循环误差。在其他传感器技术的情况下，非线性可能来自于工厂校准的限制。了解这些误差的存在及其大小是必要的。ZPS通过循环误差的专利主动补偿过程和低阶项的工厂校准处理非线性源。结果是一个低残余非线性小于±1 nm。

为了实现低不确定性，传感器长度尺度的稳定性是一个重要的考虑因素。用于测量的光的波长是干涉仪系统的长度刻度。通过使用底盘内部的热控制腔，ZPS主动跟踪波长的变化，并自动补偿任何测量变化的数据。ZPS的稳定性规格≤1 nm/天;确认数据显示实际性能要好得多。

设计师谁是新挑战的精密计量通常不考虑传感器安装的重要性。不管使用的技术，传感器支架的运动是不可能从目标的运动区分。因此，应识别传感器的参考面，并将其位置保持在预期的振动和热范围内。ZPS的参考面位于传感器的正面，可以设计一个紧密的计量回路。在其他传感器中，有模糊的或隐藏在传感器包内。这给设置增加了更多的不确定性，并使开发良好的计量变得更加复杂。

它的性能

尽管存在所有挑战，但仍有可能实现纳米级计量性能。下图所示的图表演示了实际ZPS性能的示例数据。

下面是对测试条件的描述。

稳定性:ZYGO在典型的实验室环境(±0.5°C)中使用空气间隔的Zerodur腔测量系统的稳定性。环境补偿采用折射计配件。为了将稳定性测量从噪声中分离出来，每个数据点表示一秒内的平均值。结果是4天内<0.2纳米的漂移。

非线性:ZPS数据在基于标准氦氖激光的DMI系统的同时收集。如图所示，将循环误差的界限添加到测量的低阶效果中。当目标移动通过光束的焦点时，低阶非线性源自相位变化。在完全测量范围内，所产生的非线性≤±0.4nm。

噪音：固体玻璃标准爪用于消除机械振动。测量是在一个名义的实验室设置在5千赫，然后转化为一个带宽无关的噪声数字。ZPS具有分层规范，中心±100µm范围降低了4倍的噪声规范。

可重复性:绝对距离是由校准程序确定的，在相当几个小时的过程中反复运行。采用空气间隔Zerodur标准爪消除机械噪声;测量是同时在几个标准爪上进行的。所演示的结果远远低于0.5 nm 3σ规格。

图2。ZPS传感器的性能数据图显示出长期稳定性(a);非线性误差，全行程范围(b);噪声，全行程范围(c);和系统可重复性(d)。

概括

有了对不确定性的透彻理解，即使使用不同技术的传感器也更容易进行比较。ZYGO广泛的精度计量经验使设计和生产高质量位置传感器如ZPS，以解决各种应用的不确定性要求。

参考

1.参见美国专利7,636,166;7639367;7826064;和9115975年。

2.看到www.bipm.org/en/publications/guides．

此信息已采购，审查和调整由Zygo Corporation提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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