描述
本应用说明比较了MTI的Accumeasure高清放大器和SmarAct的微尺度干涉仪在分辨率和精度非常小的位移测量。具体地说，这种比较着重于最小预期分辨率和噪声对精度的影响。高分辨率干涉仪被广泛认为是本应用笔记中描述的测量类型的首选仪器，但MTI的技术提供了非凡的精度和稳定性。此外，Accumeasure安装起来更容易，成本也大大降低。微定位的应用包括在光刻过程中测量半导体晶圆的掩模高度。
比较和配置
MTI的Accumeasure高清放大器将电容电场测量(位移)直接转换为24位数字读数，以测量位置、厚度、运动和振动。这消除了与模拟滤波、线性化、范围扩展和通道求和有关的误差，以实现厚度或阶跃测量。
本实验使用D200模型放大器，前置放大器(PA-11)和标准电容探头(ASP-50M-CTA)，其测量范围为50纳米(µm)。Accumeasure HD能够提供1皮米(pm)分辨率，并可提供亚纳米精度与选择探头。
图1所示。MTI Accumeasure高清放大器，前置放大器，50µm量程探头。
SmarAct公司的PicoScale干涉仪是迈克尔逊干涉仪这类设备的代表，它可以将光源中的光束分割成光束臂，每个光束臂都被反射回分束器。振幅组合后，产生的干涉图样不是指向光源，而是指向光电探测器。
在本次实验中，SmarAct干涉仪由SH-CO2激光干涉仪传感器和PS-CTRL-V1.4-TAB 3控制器组成。SmarAct干涉仪的分辨率为70pm RMS。使用峰-峰(pk-pk)转换，这将是350 pm(使用6X将均方根转换为pk-pk)。
图2所示。SmarAct的PicoScale控制器。控制器包含激光源和用于干涉仪测量的条纹插补器。
图3所示。CO2干涉仪传感器通过单模光纤电缆连接到控制器。这是一种迈克尔逊式装置。
图4所示。基本的迈克耳孙干涉仪图
这个实验
CO2干涉仪传感器和MTI ASP-50M-CTA探头均安装在一个小型压电弯曲台上。这两个传感器并没有观察到完全相同的目标，而是机械地紧密耦合。将电容探头嵌入平台中，直接观察压电挠曲运动。干涉仪安装在舞台附近的一根光学杆上，对准舞台顶部的反光镜。反过来，复古的反射器也随着舞台的移动而移动。
为了确定最小分辨率，在舞台静止时进行测量。测量时，工作台来回移动12纳米。这使得观察机械运动和动态结果的比较成为可能。压电弯曲工作台和干涉仪都安装在一个隔离的空气工作台上，以减少地震事件对结果的影响。
如图5所示，使用安捷伦信号发生器产生一个10hz的方波信号，发送到高压放大器。这使得Piezo System Jena运动阶段(100µm范围)前后移动了12 nm。系统是开环的。
图5所示。设置
图6显示了压电级不移动时干涉仪的输出。干涉仪的基带噪声为350 Hz，观测到热漂移。观测时间限制在2秒以内，以尽量减少难以消除的热漂移的影响。pk-pk约为1.4 nm，这与MTI在其他比较中观察到的相似。
图6所示。干涉仪基级噪声与目标静止。注意，由于气流和光学支架上的热应力差异，有一些目标机械漂移。如果忽略漂移引起的运动，则观测到的pk-pk噪声约为1.4 nm。PicoScale干涉仪的规格是70 pm RMS，最多大约是420 pm。
图7显示了Accumeasure HD的噪声输出。目标在500hz带宽下是静止的。
图7 500hz带宽下的数字Accumeasure噪声。目标静止不动，pk-pk噪声约为下午600。
图8所示。显示50hz带宽的pk-pk噪声。采样率为1 kHz。
在50hz带宽下，Accumeasure HD噪声约为200pm pk。目标是静止的。来自机械振动的较大的信号行程是由耦合到隔离台的微机械运动引起的。
然后打开信号general，观察pk-pk运动。图9显示了在50 Hz带宽下的12 nm开环动态信号。在该阶段可以观察到轻微的超调。
图9所示。Digital Accumeasure测量舞台时，它来回移动12纳米pk-pk。
如图10所示，使用PicoScale干涉仪可以观察到同样的运动。尽管信号上的噪声水平使得观察MTI的Digital Accumeasure所看到的方波运动变得更加困难，但pk-pk运动的平均值是12 nm，这与电容传感器相同。也有可能有一些反弹，因为复古反射器安装在舞台的顶部。
图10所示。从PicoScale用户屏幕上看到的干涉仪信号。干涉仪测量压电级时，它来回移动12 nm pk-pk。这与MTI的技术获得的运动和测量相同。注意，峰值信号不是水平的。它们也有一定的噪声，因为边缘信号插值(噪声)和可能的舞台反弹。
下面的数据从MTI Digital Accumeasure和PicoScale干涉仪中导出，并作图。为了可视化，这两个数据集都进行了数学偏移。没有额外的增益或平滑应用。干涉仪数据带宽限制在350 Hz。
图11所示。PicoScale激光干涉仪与MTI数字高精度测量仪的比较。水平刻度是秒，垂直刻度是纳米。
结论:Accumeasure HD兼有准确性和稳定性
MTI数字Accumeasure显示了优越的分辨率和更大的稳定性，在这个压电弯曲级的应用。很容易将探针安装在嵌入的压电挠曲上，从而消除不必要的杠杆臂动作。随着地震运动和热漂移开始成为分辨率的主要因素，200 pm的分辨率似乎已经达到了探测的阈值。HD放大器比干涉仪更容易设置，不需要反反射器。当设置为100 Hz时，MTI公司的Accumeasure HD功放的动态范围约为107 dB。
