步距誤差簡介

步距誤差pitch errar;pcriadicit光學(xué)掩模版列或行t相鄰功能圖形中，某圖像的點(diǎn)與相應(yīng)圖像對應(yīng)點(diǎn)之問的距離叫步距。實(shí)測步距與規(guī)定步距之差即步距誤差門

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由于步距規(guī)是使用廣泛的高精度實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器，因此能否校準(zhǔn)這種計(jì)量器具是衡量幾何量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的重要標(biāo)志。國際計(jì)量局（BIPM）把步距規(guī)列入了國際比對項(xiàng)目，我國是比對參加國之一。計(jì)量院長度處螺紋/坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)室除了開展日常的步距規(guī)校準(zhǔn)工作，還承擔(dān)步距規(guī)的國際比對任務(wù)。

1、測量設(shè)備和環(huán)境條件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，步距規(guī)的校準(zhǔn)可以通過兩種方法完成，一種方法是使用LeitzPMM12106坐標(biāo)測量機(jī)對步距規(guī)的尺寸直接進(jìn)行測量；另一種方法是結(jié)合使用坐標(biāo)機(jī)和美國惠普公司的5529雙頻激光干涉儀對步距規(guī)進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)室共有8個房間，其中有兩個房間的環(huán)境溫度設(shè)計(jì)指標(biāo)為（20± 0.2）℃ ，其余房間的環(huán)境溫度設(shè)計(jì)指標(biāo)為（20± 1）℃ ，步距規(guī)的校準(zhǔn)是在環(huán)境溫度為（20± 0.2）℃的房間內(nèi)進(jìn)行的。

2、測量過程和測量不確定度

（1）單獨(dú)使用坐標(biāo)機(jī)的測量過程和測量不確定度

將步距規(guī)沿坐標(biāo)機(jī)長軸放置，適當(dāng)卡緊。以步距規(guī)基面定位塊的一個平面、基體的一個側(cè)面和步距規(guī)上部任意一點(diǎn)為元素，在步距規(guī)上建立三維笛卡兒坐標(biāo)系。坐標(biāo)機(jī)接觸式測頭對步距規(guī)上的量塊工作面進(jìn)行測量，每個平面測5點(diǎn)，計(jì)算機(jī)計(jì)算出量塊平面之間的距離和平面之間的平行性，量塊之間的距離和平行性是評價步距規(guī)的兩個指標(biāo)參數(shù)。這種測量方法的測量不確定度主要有坐標(biāo)機(jī)的長度測量示值誤差、溫度傳感器的精度、環(huán)境條件等因素，這種方法的總測量不確定度約為：U=（0.6 L/600）μm，K= 2。

（2）結(jié)合使用坐標(biāo)機(jī)和激光干涉儀的測量過程和測量不確定度

將激光干涉儀的反射鏡和步距規(guī)裝卡在坐標(biāo)機(jī)移動工作臺上，調(diào)整光路，使激光光路與工作臺的移動方向平行。Leitz坐標(biāo)測量機(jī)的測頭有一個特性，就是可以在鎖緊按鈕時，以一個恒定的偏移靠在被測物體表面，步距規(guī)的校準(zhǔn)就是利用坐標(biāo)測量機(jī)的這個特性，依次將測頭靠在步距規(guī)量塊的指定測量點(diǎn)上，讀入激光干涉儀的示值，換句話說就是，使用坐標(biāo)測量機(jī)對步距規(guī)的每個測量面進(jìn)行瞄準(zhǔn)，通過激光干涉儀的指示值進(jìn)行示值測量。為了提高測量準(zhǔn)確度，我們使用了高準(zhǔn)確度的氣壓計(jì)、溫度計(jì)對波長進(jìn)行修正。通過計(jì)算機(jī)將這些儀器與5528激光干涉儀連機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動實(shí)時補(bǔ)償。影響這種測量方法不確定度的因素有坐標(biāo)機(jī)測頭穩(wěn)定性、激光干涉儀的測長不確定度、坐標(biāo)機(jī)移動工作臺移動的角擺和直線性、環(huán)境條件等因素。

根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得出這種測量方法的測量不確定度約為：U=（0.4 0.4L/1000）μm，K= 2。 2100433B

一般認(rèn)為，量塊是最高精度的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)。量塊可以相互研和，組成一定長度標(biāo)準(zhǔn)，但是將幾十個量塊研和在一起，組成一個高精度的尺寸列是十分困難的，即使在一定的技術(shù)裝備幫助下，可以將幾十個量塊研和在一起，在將研和好的量塊組合體裝入步距規(guī)的基體時，也很容易破壞研和狀態(tài)，進(jìn)而影響步距規(guī)尺寸列的精度。除此之外，壓緊塊對量塊組合體的壓緊力，溫度變化等因素也影響步距規(guī)的精度。

1、影響步距規(guī)精度的因素

步距規(guī)的一個長度尺寸可以公式1表達(dá)：

L= l₀ Δl₁ Δl₂ Δl₃（1）

式中，L為步距規(guī)某一尺寸的實(shí)際長度；l₀為組成步距規(guī)某一尺寸的量塊的理想長度；Δl₁為量塊的偏差值；Δl₂為量塊組合體平行性導(dǎo)致的偏差值；Δl₃為溫度導(dǎo)致的長度偏差。

（1）量塊的偏差值Δl₁

量塊的偏差是由量塊檢定的不確定度產(chǎn)生的。3等量塊的檢定不確定度是（0.1 L）μm，如果使用60個10mm的量塊組成600mm長的步距規(guī)，這個長度的偏差為：

Δl₁=

（2）量塊組合體平行性導(dǎo)致的偏差值Δl₂

由于研和、裝配的原因，步距規(guī)量塊工作面不可能完全平行。一般情況下，步距規(guī)量塊的可使用面積是10mm× 10mm，如果將這個面積上平行度最大偏差控制在3μm以內(nèi)，而量塊的實(shí)際使用面積控制在3mm× 3mm，則量塊組合體平行性導(dǎo)致的偏差值：Δl₂≈ 1.0μm （3）

（3）溫度導(dǎo)致的長度偏差Δl₃

步距規(guī)所使用的陶瓷量塊具有熱膨脹特性，其熱膨脹系數(shù)約4× 10^-6K^-1。對于600mm長的步距規(guī)每溫度變化1K所引起的長度偏差為：Δl₃= 2.4μm （4）

以上三個影響步距規(guī)精度的因素中，量塊的偏差值Δl₁是由于量塊檢定不確定度而產(chǎn)生的，不能避免和減少；量塊組合體平行性導(dǎo)致的偏差值Δl₂是由于量塊研和及步距規(guī)組裝過程所產(chǎn)生的，這項(xiàng)偏差可以通過不斷改進(jìn)步距規(guī)的制造工藝而逐步減小；溫度導(dǎo)致的長度偏差Δl₃是由于材料的熱膨脹特性所產(chǎn)生的，這項(xiàng)偏差可以通過改善步距規(guī)使用的環(huán)境條件，和使用溫度傳感器測量工作溫度，根據(jù)材料的熱脹系數(shù)對長度尺寸進(jìn)行補(bǔ)償而減小。

2、步距規(guī)的穩(wěn)定性

由于步距規(guī)的基體是由花崗石制造的，因此在整體上有很好的剛性和穩(wěn)定性，在使用過程中步距規(guī)不像量塊那樣?jì)蓺?，甚至可以像對機(jī)械部件一樣對它進(jìn)行裝卡。但是步距規(guī)也有薄弱環(huán)節(jié)，由于結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)的原因，步距規(guī)的基體與量塊組合體之間有一定的間隙，量塊組合體在這個間隙范圍內(nèi)具有一定的自由度，在一定外部條件影響下量塊組合體可能會發(fā)生一些變化，進(jìn)而影響步距規(guī)的精度。解決這個問題有兩個辦法，一是在步距規(guī)的基體與量塊組合體之間的間隙內(nèi)加入彈性介質(zhì)，其作用是對量塊組合體的移動和變化有一定的限制，同時不完全約束其自由度；另外一個辦法是改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使量塊組合體完全避免外力的作用，具體結(jié)構(gòu)可能會很多，設(shè)計(jì)人員可以通過創(chuàng)造力自行設(shè)計(jì)。

市場上現(xiàn)有的步距規(guī)有以下幾種：

1、用于水平測量的臥式步距規(guī)；

2、用于垂直測量的立式步距規(guī)；

3、用于水平和垂直測量的立臥兩用步距規(guī)；

4、用于空間角度位移的測量（需要加支座），比如三坐標(biāo)測量機(jī)。