X射线干涉仪中单晶硅微动工作台的研制

　　X射线干涉仪利用非常稳定的单晶硅的原子晶格作为标尺实现微位移测量,因而具有亚纳米分辨率。X射线干涉仪的原理见图1。它包括三个平行且晶格 方向完全一致的单晶硅晶片:分束器S、镜子M和分析器A,当X射线以Bragg角入射到干涉器件时,在分析器后形成宏观的干涉条纹[1]。当分析器A沿垂 直于衍射晶面方向移动时,每移动一个晶格,干涉条纹就变化一个周期。通过计算移动的干涉条纹,乘以晶面间距,即可得到分析器移动的位移。由于衍射晶面间距 为原子量级,因此,测量位移的分辨率为亚纳米量级。

　　X射线干涉仪正常工作要求分析器的侧滑角为10-7rad量级,俯仰角为10-8rad量级,X射线干涉仪采用整体式对称结构,即将X射线干涉 器件和微动工作台用同一块单晶硅加工而成,四个铰链参数完全相同。由于四杆平行机构的固有变形,影响了分析器侧滑角,根据理论分析,分析器的侧滑角对干涉 信号的对比度影响很大,侧滑角由0增加到0.55″时,干涉信号对比度下降54%。干涉信号对比度低容易产生干涉条纹的记数误差,我们试图通过非对称结构 的设计减小分析器的侧滑角,提高干涉信号的对比度。

　　1　非对称结构的设计思想

　　对于对称式平行四杆柔性铰链机构(图2),在驱动力F作用下,弯矩由铰链a传递到铰链d,由于铰链a要吸收一定能量,从而使铰链d受到的力矩小 于铰链a受到的力矩,铰链a的变形大于铰链d的变形,使连杆ad发生弯曲变形。由于分析器均以某种形式与连杆ad相连,故连杆ad的变形直接影响分析器的 侧滑角。如果增加铰链a的刚度,同时减少铰链d的刚度,使铰链a的刚度大于铰链d,对两个铰链的变形进行均衡,通过选择合适的铰链参数,就有可能通过四个 铰链的变形互补,来减少连杆的变形,进而减小分析器的侧滑角。

　　根据加工特点,单晶硅微动工作台中使用单槽铰链。设单个铰链的加工孔的半径为R,E为材料沿受力方向的弹性模量,h为腹板厚度,t为铰链的厚度,在力矩m的作用下,铰链的偏转角θ为[2]:

　　由公式(1),铰链的偏转角除与作用力矩有关外,主要与铰链的加工孔的半径、铰链厚度、腹板厚度有关。选择微动工作台的厚度和孔的半径受到铣床 的磨头尺寸及材料的限制,当磨头细长比太大时,在加工过程中就会产生很大的振动,影响铣床的加工精度。只有铰链厚度可以根据要求进行优化选择。铰链的厚度 选择在1≤t≤2mm范围。由于微动工作台采用非对称结构,外力作用与微动工作台变形之间呈复杂的非线性关系,而且单晶硅为各向异性材料,无法使用现有的 理论方法直接分析,我们通过有限元分析的方法进行结构参数优化。