Nghiên Cứu Công Nghệ Chế Tạo Thước Kính Bằng Phương Pháp Quang Khắc (Photolithography)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THƯỚC KÍNH
BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG KHẮC
(PHOTOLITHOGRAPHY)

NGÀNH CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC
MÃ SỐ:
PHẠM XUÂN KHẢI

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

HÀ NỘI 2007


2

MỤC LỤC
Trang
Mục lục ……………………………………………………………………
Danh sách các hình vẽ……………………………………………………...
Lời nói đầu....................................................................................................

2
3
6

CHƯƠNG 1. THƯỚC KÍNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
MẶT NẠ VÀ THÂN THƯỚC ……………………….……....................... 9
1.1. Tổng quan về thước kính .………………................................... 9
1.2. Các phương pháp chế tạo thân thước kính ................................. 22
CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ GIA CÔNG BẰNG QUANG KHẮC ..…
2.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp ………………………………
2.2. Thiết bị sử dụng trong cơng nghệ quang khắc………………….
2.3. Quy trình công nghệ gia công bằng quang khắc ..…..………….
2.4. Quang khắc bằng tia Rơntghen (tia X) …………………………
2.5. Quang khắc bằng chùm điện tử ………………………………...

26
26
29
38
49
50

CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO MẶT NẠ VÀ THÂN THƯỚC KÍNH BẰNG
CƠNG NGHỆ QUANG KHẮC –ĂN MỊN................................................
3.1. u cầu kỹ thuật của mặt nạ và thân thước kính ……………….
3.2. Chế tạo khn ……………………….…………………….…….
3.3. Quy trình cơng nghệ làm thân thước kính …………..…….…….
3.4. Các kết quả đạt được ……………………………….………….

53
53
54
56
60

CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO THƯỚC KÍNH VỚI THÂN THƯỚC VÀ
MẶT NẠ LÀM BẰNG CÔNG NGHỆ QUANG KHẮC...........................
4.1. Thiết kế phẩn đầu đọc của thước kính…………………………...
4.2. Phương pháp xử lý tín hiệu…………………………..…….…….
4.3. Các kết quả đạt được. ……………………………….………….

65
68
73
75

Kết luận……………………………………………………………………. 78
Tài liệu tham khảo ………………………………………………………… 79
Phụ lục .........................................................................................................

80


3

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Trang
Chương 1
Hình 1.1

Hình ảnh một số loại thước kính hiện đã có mặt tại Việt nam…

9

Hình 1.2

Máy đo tọa độ của Mitutoyo...........................................................

10

Hình1.3

Đồ gá có sử dụng 3 thước kính..................................................

10

Hình 1.4

Sơ đồ cấu trúc của thước kính....................................................

11

Hình 1.5

Sơ đồ vị trí tương quan của các cửa sổ a, b, c, d .......................

12

Hình 1.6

Sơ đồ mạch cầu và dạng tín hiệu ra của đầu đọc quang học.....

14

Hình 1.7

Mạch khuyếch đại thuật tốn sử dụng để tạo xung.....................

16

Hình 1.8

Mạch ngun lý chuyển đổi tín hiệu theo Heidenhain................

18

Hình 1.9

Dạng tín hiệu ra của mạch EXOR..............................................

19

Hình 1.10 Nguyên lý của bộ đếm thuận nghịch..........................................

20

Hình 1.11 Phương pháp xác định chiều đếm..............................................

21

Hình 1.12 Thước kính với thân thước được gia cơng bằng máy phay CNC

22

Hình 1.13 Thân thước kính được chế tạo bằng cách in mực lên Polyme… 23
Hình 1.14 Thước kính có độ phân giải 0.02, phạm vi đo 1,2m……………

24

Hình 1.15 Mask và các thân thước được chế tạo bằng bốc bay trực tiếp…

24

Hình 1.16 Bề mặt thân thước kính được chế tạo bằng photolithography…. 25
Chương 2
Hình 2.1

Hình ảnh tổng thể quy trình gia cơng bằng quang khắc……….

26

Hình 2.2

Bản chất của quá trình quang khắc…………………………….

27

Hình 2.3

Quá trình thay đổi cấu tạo phân tử của chất cảm quang dương..

28

Hình 2.4

Dải phổ của đèn Hg……………………………………………

29

Hình 2.5

Các hệ thống chiếu sáng trong cơng nghệ quang khắc………… 30

Hình 2.6

Hình ảnh khe hở g trong hệ thống quang khắc khơng tiếp xúc

30

Hình 2.7

Phân bố cường độ sáng trên bề mặt chất cảm quang…………..

31

Hình 2.8

Quy trình cơng nghệ chế tạo khuôn với lớp nhũ tương………..

32


4
Hình 2.9

Một số loại dấu so khn………………………………………. 32
Hình 2.10 Sơ đồ máy chụp thu nhỏ………………………………………. 33
Hình 2.11 Sơ đồ máy chụp lặp…………………………………………….

34

Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống gia cơng màng Al trên đế thủy tinh bằng laser .. 35
Hình 2.13 Hình ảnh bề mặt mẫu được gia cơng bằng femto-second laser.. 36
Hình 2.14 Sự phản xạ từ khn có lớp màng Cr………………………….

37

Phản ứng nhiệt phân polyvinhil-Fêrơce…………………………….

37

Hình 2.15

Hình 2.16 Quy trình cơng nghệ quang khắc tiếp xúc……………………..
Hình 2.17 Sơ đồ máy phủ lớp cảm quang theo phương pháp quay ly tâm..
Hình 2.18 Đồ thị phân bố chiều dầy lớp cảm quang………………………
Hình 2.19 Cấu tạo khn quang khắc bằng tia Rơntghen…………………
Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống quang khắc bằng chùm điện tử…

38
39
40
45
46

Chương 3
Hình 3.1

Bản vẽ thiết kế của thân thước và mặt nạ với T = 0.04……….

Hình 3.2

Hình ảnh tổng thể của khn làm thân thước và mặt nạ………

Hình 3.3

Hình ảnh bề mặt bản in khn của thân thước và mặt nạ……..

Hình 3.4

Kết quả đo khn của thân thước và mặt nạ…………………..

Hình 3.5

Các dụng cụ dùng làm sạch đế………………………………..

Hình 3.6

Quy trình cơng nghệ làm thân thước và mặt nạ……………….

Hình 3.7

Thiết bị phủ cảm quang……………………………………….

59

Hình 3.8

Thiết bị chiếu sáng PEM800………………………………….

Hình 3.9

Hình ảnh tổng thể của thân thước và mặt nạ………………….

59

Hình 3.10 Hình ảnh bề mặt khn ……………………………………….
Hình 3.11 Hình ảnh bề mặt thân thước…………………………………..
Hình 3.12 Kết quả đo kích thước vạch của khn (Mask) và thân thước..
Hình 3.13 Hình ảnh bề mặt của thân thước………………………………
Hình 3.14 Hình ảnh bề mặt mặt nạ tại 4 cửa sổ………………………….
Hình 3.15

Kết quả đo khn của thân thước và mặt nạ…………………..

53
54
55
56
57
58

60
61

61
62
62
63
63


5

Chương 4
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình4.14

Sơ đồ cấu trúc của thước kính theo phương pháp chiếu thn..
Sơ đồ mạch điện phát-thu nhận và xử lý sơ bộ tín hiệu……….
Dạng tín hiệu ra sau khi đã được xử lý sơ bộ………………….
Sơ đồ khối của mạch điện thu nhận và xử lý tín hiệu…………
Sơ mạch logic xác định chiều dịch chuyển của thân thước chính.

Sơ đồ mạch logic đếm 1/4 xung …………………..…………..
Đếm 1/4 xung bằng vi xử lý……………………….…….…….
Sơ đồ mạch điện đếm xung bằng phương pháp sử dụng vi xử lý
Sơ đồ mạch đếm xung bằng cách kết hợp đếm logic và vi xử lý.
Sơ đồ ghép nối vi xử lý với máy tính…………………………..
Hình ảnh đầu đọc quang điện……………………………….….
Hình ảnh mạch điện thu nhận và xử lý sơ bộ tín hiệu……….…
Hệ thống mạch thu nhận tín hiệu và đánh giá thước chế tạo…..
Hình ảnh tín hiệu ra của mạch điện thu nhận và xử lý ………..

66
67
68
68
69
70
70
71
72
74
75
76
76
77


6

MỞ ĐẦU
Thế kỷ 21, nhu cầu của con người trong nghiên cứu khoa học, công

nghiệp, phục vụ đời sống và chăm sóc sức khỏe con người… ngày càng đa
dạng và phức tạp; địi hỏi các thiết bị máy móc ngày càng tinh xảo, thuận tiện
cho người sử dụng và có độ chính xác cao. Để đáp ứng nhu cầu đó cơng nghệ
cơ khí buộc phải phát triển mạnh mẽ và kết hợp với sự tiến bộ của ngành vi
điện tử, điều khiển tự động và đo lường cơ khí.
Ngày nay đa số các máy công cụ hiện đại đều được điều khiển theo
chương trình số. Đây là điều kiện kỹ thuật cơ bản để thực hiện những dự án
Tự động hóa linh hoạt, trên máy cơng cụ điều khiển số riêng lẻ (CNC –
Machine tools) hay trên các trung tâm gia công điều khiển số (CNC
engineering Center). Trong mỗi hệ điều khiển số, cụm vi sử lý, và cụm ngoại
vi tương thích cũng như phần mềm điều khiển là khơng thể thiếu trong mỗi
hệ điều khiển số (Computered Nummerial Control).
Khi gia cơng các chi tiết cơ khí đạt độ chính xác cao hoặc bề mặt định
hình phức tạp, khơng thể khơng sử dụng các thiết bị gia cơng chính xác như
máy công cụ điều khiển số, trung tâm gia công. Cơng tác đảm bảo độ chính
xác cho q trình gia cơng đó được thực hiện qua hệ thống xác định vị trí của
đầu dao, bàn máy trên máy CNC hay trong trung tâm gia công. Các đại lượng
cần xác định ở đây là đoạn đường trong chuyển động thẳng và các góc trong
chuyển động quay có điều chỉnh, với độ chính xác theo yêu cầu.
Một thiết bị đo lường hiện đại khơng thể thiếu phục vụ cho q trình
gia cơng các chi tiết phức tạp là máy đo tọa độ (Coodinate Measuring
Machine – CMM), với khả năng đo rộng, tốc độ đo cao, dễ dàng chuyển giao
các thông số phục vụ cho quá trình thiết kế ngược giúp giảm thiểu thời gian


7
thiết kế và chế tạo thử. Ngoài ra, hệ thống đo lường dịch chuyển còn được sử
dụng rộng rãi trong Robot và các cơ cấu của thiết bị vi cơ khí MEMS.
Để xác định đoạn đường (theo tọa độ tuyệt đối hoặc tương đối) và đảm
bảo độ chính xác đo lường và điều khiển vị trí, trong các máy đo tọa độ CMM

và máy công cụ điều khiển số CNC, hệ thống đo dịch chuyển thẳng là linh
hồn của hệ thống.
Mỗi phương dịch chuyển thẳng cần một thước đo với độ phân giải và
độ chính xác phù hợp. Ngồi ra, trong các nghiên cứu khoa học cũng như các
thiết bị điều khiển tự động khác có yêu cầu xác định, điều khiển vị trí các vật
thể và các bộ phận máy cũng cần sử dụng các thiết bị đo này. Thực tế thì các
máy CNC và CMM thường gồm một hệ thống đo với nhiều thước. Tuy nhiên
giá thành các thước đo độ dài hiện còn cao so với nền kinh tế kỹ thuật của
nước ta. Điều này đã hạn chế sự phát triển của các hệ thống đo lường và điều
khiển tự động là một trong 4 lĩnh vực ưu tiên phát triển ở nước ta hiện nay.
Trong các máy đo tọa độ (CMM) và máy gia công điều khiển bằng
chương trình số (CNC) trong cơng nghiệp chế tạo cơ khí nói chung hiện nay
đã đạt độ chính xác gia cơng đến micrơmet và nhỏ hơn nữa, do đó đòi hỏi hệ
thống đo lường dịch chuyển đảm bảo độ chính xác điều khiển tương ứng.
Ở các nước phát triển, hệ thống đo lường dịch chuyển đo được các
trường đại học kết hợp với các viện nghiên cứu, chế tạo dụng cụ đo triển khai
vào sản phẩm công nghiệp và chế tạo cơ khí từ những năm 90 của thế kỷ
trước; điển hình như các hãng Mitutoyo - Nhật bản, Haidenhain, Zaiss CHLB Đức, Fagos – Tây ban nha...
Hiện nay số lượng các thiết bị đang và sẽ sử dụng cho nhu cầu tự động
hóa ở nước ta rất lớn. Tuy nhiên các hệ thống đo này đều nhập ngoại, giá
thành rất cao so với điều kiện kinh tế của nước ta (từ vài chục triệu đến hàng
trăm triệu đồng), nên hạn chế việc sử dụng trong điều khiển và tự động hóa


8
các thiết bị gia công. Các cơ sở nghiên cứu trong nước hiện tiếp cận với vấn
đề này mới chỉ ở mức độ tìm hiểu, khảo sát.
Trong cơng cuộc Cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, hệ thống đo
lường dịch chuyển là một bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị CNC 3
trục, 5 trục; Hiện nay các thiết bị này đang được nghiên cứu để chế tạo trong

nước tại các viện nghiên cứu và các trường Đại học và có kế hoạch triển khai
trong cơng nghiệp, luận văn này sẽ đóng góp một phần cho việc nội địa hóa
các thiết bị quan trọng này.
Các nguyên lý cơ bản của chuyển đổi đo độ dài của các thước đo dịch
chuyển độ dài điện tử là: điện cảm, điện dung, quang điện... Tuy nhiên, các
thước đo loại này là những sản phẩm tích hợp của nhiều ngành cơng nghệ cao
như cơ khí chính xác, quang học và điện tử là những lĩnh vực còn chưa phát
triển đủ mạnh ở nước ta. Với khả năng hiện có, Luận văn đã lựa chọn
hướng nghiên cứu là chế tạo thước khắc vạch quang điện tử có thân thước
và mặt nạ được chế tạo bằng phương pháp quang khắc.
Để hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của
người hướng dẫn khoa học - Tiến sỹ Nguyễn Thị Phương Mai, các thầy cơ
giáo trong bộ mơn Cơ khí Chính xác và Quang học Trường Đại học Bách
khoa Hà nội và Viện Itims Trường ĐHBK Hà nội. Qua đây cho tôi gửi lời
cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô giáo trong bộ môn,
các đồng nghiệp và đặc biệt là Tiến sỹ Nguyễn Văn Vinh, Kỹ sư Nguyễn
Thành Hùng-ĐHBK HN, Kỹ sư Nguyễn Văn Toán – Viện Itims đã trực tiếp
cùng tơi trong q trình làm thực nghiệm chế tạo thân thước và phần xử lý tín
hiệu đo.
Do kiến thức và thời gian hạn chế nên Luận văn chắc chắn sẽ không tránh
khỏi các thiếu sót về nhiều mặt. Em rất mong được sự góp ý của các thầy cơ
giáo để luận văn được hồn thiện, có thể giúp ích hiệu quả cho cơng việc thiết
kế, chế tạo và sản xuất thước kính trong điều kiện Việt nam.


9

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ THƯỚC KÍNH VÀ
CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO LƯỚI VẠCH TRÊN THÂN THƯỚC

1.1 Tổng quan về thước kính
Thước kính là một hệ thống đo sử dụng đầu đọc quang điện tử để đo
khoảng dịch chuyển dài của các cơ cấu chấp hành, kết quả đo được lưu trữ và
hiển thị dưới dạng số. Hiện nay, thước kính rất phong phú và đa dạng cả về
mẫu mã và chủng loại. Hình 1 là hình ảnh thước kính của một số hãng cung
cấp hiện đã có mặt tại Việt nam.


10

Thước kính của hãng Sony

Thước kính của hãng Renishow

Thước kính của hãng Mitutoyo

Thước kính của hãng Haidenhain

Hình 1. Hình ảnh một số loại thước kính hiện đã có mặt tại Việt nam.
1.1.1 Một số ứng dụng của thước kính
Thước kính là thiết bị đo dịch chuyển dài có độ chính xác cao do thân
thước được làm từ thủy tinh có độ ổn định rất cao. Vì vậy, thước kính được
đặc biệt sử dụng trong các thiết bị địi
hỏi độ chính xác cao.
1.1.1.1

Ứng dụng của thước kính
trong máy đo 3 tọa độ

Ngày nay, máy đo 3 tọa độ

(CMM) đã trở nên rất quen thuộc với
các cơ sở nghiên cứu và sản xuất của

Hình 1.2 Máy đo tọa độ của Mitutoyo


11
nước ta, bởi lẽ nó hỗ trợ rất hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu cũng như
trong việc kiểm định chất lượng sản phẩm. Máy đo tọa độ hiện có tại Việt
Nam được xuất xứ từ rất nhiều hãng sản xuất thiết bị đo nổi tiếng trên thế giới
như Mitutoyo, Tesa, Mahr…Hình 1.1 là hình ảnh một dạng máy đo 3 tọa độ
của hãng Mitutoyo.
Máy đo 3 tọa độ rất đa dạng về chủng loại, phạm vi đo cũng như độ chính
xác, tuy nhiên chúng có một điểm chung là đều sử dụng 3 thước kính đo dịch
chuyển dài trên 3 trục X, Y, Z để xác định tọa độ của đầu đo so với điểm chuẩn
1.1.1.2

Ứng dụng của hệ đo dịch chuyển dài trong các máy gia công CNC

Để xác định chính xác vị trí
tương đối của dao cắt so với chi
tiết gia công, hoặc lượng dịch
chuyển của chi tiết gia công theo
các trục tọa độ, các máy gia công
điều khiển số và các đồ gá của
máy thường được lắp các bộ
thước kính đo dịch chuyển thẳng
và góc. Hình 1.2 là hình ảnh đồ
gá có sử dụng 3 thước kính.

Hình1.3 Đồ gá có sử dụng 3 thước kính

1.1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thước kính
Cấu trúc của thước kính bao gồm 2 phần chính là thân thước và bộ
phận đầu đọc. Thân thước thường được làm bằng thủy tinh quang học và trên
bề mặt được tạo 2 dãy lưới các vạch sáng và tối xen kẽ nhau trên suốt chiều
dài thân thước. Trên dãy vạch chính, các vạch sáng và tối được khắc đều đặn
trên toàn thân thước. Trên dãy vạch phụ, dãy các vạch tham khảo được khắc
gián đoạn trên suốt chiều dài thân thước (dãy vạch phụ này thường được dùng
để đọc vạch chẵn, hạn chế hành trình...). Chiều dầy của vạch sáng và tối được
chế tạo bằng nhau và tổng chiều dầy của chúng được gọi là bước vạch T. Các
vạch tối trên thân thước cho phép ánh sáng truyền qua còn các vạch sáng thì
cho phép ánh sáng phản xạ trên bề mặt chúng. Tùy thuộc vào ánh sáng truyền
tới các phần tử thu nhận tín hiệu là do nguồn sáng chiếu ánh sáng xuyên qua


12
các vạch tối hay phản xạ trên các vạch sáng của thân thước mà người ta chế
tạo ra các loại thước kính theo phương pháp chiếu thn hay phản xạ. Hình vẽ
1.4 là sơ đồ cấu trúc của hệ thống đo dịch chuyển dài sử dụng đầu đọc quang
điện theo phương pháp chiếu thuôn và phản xạ.

a. Phương pháp chiếu thn

b. Phương pháp phản xạ

Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc của thước kính.
Bộ phận đầu đọc bao gồm hệ tạo nguồn sáng song song (nguồn chiếu
sáng và thấu kính hội tụ), mặt nạ và một dãy tế bào quang điện. Mặt nạ là một
tấm chắn một phần ánh sáng tới thân thước. Trên thân mặt nạ được tạo 5 cửa

sổ chắn sáng, trong đó có 4 cửa sổ chính a, b, c, d được sử dụng để xác định
lượng dịch chuyển tương đối của đầu đọc so với thân thước và chúng được
chế tạo lệch pha nhau 1/4 bước vạch T như được thể hiện trên hình 1.5 (trong
đó: m, n, k là các số nguyên). Cửa số còn lại được chế tạo để đọc vạch khắc
tham khảo trên thước chính. Tại mỗi cửa sổ trên mặt nạ, lưới vạch được tạo ra
có quy luật giống với quy luật tạo vạch trên thân thước. Dãy các tế bào quang
điện A, B, C, D được đặt đối diện với các cửa sổ trên mặt nạ để thu nhận ánh
sáng từ nguồn sáng chiếu xuyên qua các vạch tối trên mặt nạ và thân thước.


13

(m + 0.25)T
(k + 0.75)T
(n + 0.5)T
1
2
a

c

b

d

3
A

B

C

D

4

1-Chùm sáng song song; 2-Mặt nạ; 3-Thân thước; 4-Tế bào quang điện

Hình 1.5. Sơ đồ vị trí tương quan của các cửa sổ a, b, c, d so với thân thước.
Trong quá trình hoạt động, ánh sáng được phát liên tục từ nguồn sáng
xuyên qua các vạch tối trên các cửa sổ của mặt nạ và thân thước chính để tới
bề mặt các tế bào quang điện. Như thể hiện trên hình 1.5, khi đầu đọc di
chuyển tương đối (dịch chuyển sang trái hoặc phải) so với thân thước chính
một lượng dx sẽ tạo sự thay đổi khe sáng từ nguồn sáng tới các tế bào quang
điện. Khi đó, diện tích bề mặt tế bào quang điện bị chiếu sáng sẽ thay đổi một
lượng là ds = h.dx với h là chiều dài của vạch sáng, tối trên mặt nạ. Sự thay
đổi của ds sẽ kéo theo sự thay đổi lượng quang thông dΦ tới bề mặt các tế bào
quang điện A, B, C, D. Vì các cửa sổ a, b, c, d đặt lệch pha nhau 1/4 chu kỳ T
nên diện tích chùm sáng chiếu tới bề mặt các tế bào quang điện tương ứng là
khác nhau gây nên hiệu ứng quang điện (hiện tượng các tế bào bị suy giảm
điện trở khi chịu tác động của ánh sáng) khác nhau tại các tế bào quang điện.
Khi thước kính ở trạng thái như hình 1.5:
 Tại cửa sổ a: Các vạch sáng trên cửa sổ che kín các vạch tối trên thân
thước, khơng cho ánh sáng đi qua. Vì vậy, điện trở của tế bào quang điện
A đạt cực đại (Rmax).


14
 Tại cửa sổ b: Các vạch sáng và tối trên cửa sổ trùng khít với các vạch
trên thân thước, diện tích bề mặt tế bào quang điện B bị chiếu sáng đạt giá

trị cực đại. Vì vậy, điện trở của tế bào quang điện B đạt cực tiểu (Rmin).
 Tại cửa sổ c: Các vạch sáng trên cửa sổ che đi 1/2 vạch tối bên trái trên
thân thước làm cho diện tích chiếu sáng tới tế bào quang điện C bị giảm đi
một nửa so với tế bào quang điện B (ta gọi vị trí này là vị trí trung hoà).
Lúc này điện trở của tế bào quang điện C là R0 = (Rmax + Rmin)/2.
 Tại cửa sổ d: Các vạch sáng trên cửa sổ che đi 1/2 vạch tối bên phải
trên thân thước làm cho diện tích chiếu sáng tới tế bào quang điện D cũng
bị giảm đi một nửa so với tế bào quang điện B. Vì vậy, điện trở của tế bào
quang điện D cũng là R0.
Khi đầu đọc dịch chuyển sang bên phải 1 chu kỳ T so với thước kính:
⇒ Tại 1/4 chu kỳ đầu:
- Tại A: Rmax giảm đến R0

- Tại C: R0 tăng đến Rmax

- Tại B: Rmin tăng đến R0

- Tại D: R0 giảm đến Rmin

⇒ Tại 1/4 chu kỳ tiếp theo:
- Tại A: R0 giảm đến Rmin

- Tại C: Rmax giảm đến R0

- Tại B: R0 tăng đến Rmax

- Tại D: Rmin tăng đến R0

⇒ Tại 1/4 chu kỳ sau:
- Tại A: Rmin tăng đến R0

- Tại C: R0 giảm đến Rmin

- Tại B: Rmax giảm đến R0

- Tại D: R0 tăng đến Rmax

⇒ Tại 1/4 chu kỳ cuối:
- Tại A: R0 tăng đến Rmax

- Tại C: Rmin tăng đến R0

- Tại B: R0 giảm đến Rmin

- Tại D: Rmax giảm đến R0

Như vậy, điện trở của các tế bào quang điện A, B, C, D lại trở về giá trị ban
đầu sau khi đầu đọc dịch chuyển tương đối so với thân thước 1 chu kỳ. Quá
trình này diễn ra liên tục tạo nên các tín hiệu chu kỳ. Sử dụng mạch cầu với
các điện trở RA, RB và R0 sẽ thu được điện áp ra U1 có dạng cosin; với các


15
điện trở R C, R D và R0 sẽ thu được điện áp ra U2 có dạng Sin. Nói cách khác,
điện áp U1 và U2 sẽ là hai điện áp hình hình sin lệch pha nhau 900 và biến
thiên theo dịch chuyển tương đối của đầu đọc so với thân thước với chu kỳ
bằng chu kỳ vạch khắc T trên thân thước. Hình 1.6 là sơ đồ mạch cầu và dạng
tín hiệu ra.

RA

RC

R0

R0
U2

U1
U0

U0
RB

RD

R0

U

U1

R0

U2

x

T

T

Hình 1.6 Sơ đồ mạch cầu và dạng tín hiệu ra của đầu đọc quang học.
Khi đó, chiều dịch chuyển và lượng dịch chuyển tương đối của đầu đọc so với
thân thước được xác định thông qua chiều biến thiên và số lần biến thiên giá
trị các tín hiệu ra của đầu đọc quang học. Độ phân giải của hệ thống được
quyết định bới giá trị bước của vạch T trên thân thước chính và khả năng xử
lý các tín hiệu ra U1 và U2.
1.1.3 Phương pháp xử lý tín hiệu
1.1.3.1

Thủ thuật chia nhỏ chu kỳ tín hiệu.


16
Các thiết bị đo dịch chuyển dài thường đạt được độ phân giải và độ
chính xác nhỏ hơn rất nhiều lần so với bước cơ sở T. Ví dụ, với thước cặp có
bước vạch trên thước chính là 1mm nhưng lại có độ chính xác là 0,1; 0,05;
0,02; hoặc với dụng cụ đo dịch chuyển dài hiển thị số ELECTRA có bước cơ
sở T= 20 µ m lại có độ phân giải chỉ là 1 µ m. Điều đó được thực hiện nhờ thủ
thuật chia nhỏ khoảng cách giữa hai vạch trên thân thước chính.
Chia nhỏ khoảng cách giữa hai vạch trên thân thước là một thủ thuật
thường thấy trong các dụng cụ đo lường với nhiều phương pháp khác nhau.
Với thước cặp, việc tăng độ phân giải của dụng cụ được thực hiện nhờ thủ
thuật chia nhỏ khoảng cách giữa hai vạch khắc bằng du xích. Số vạch chia
trên du xích sẽ quyết định độ phân giải của dụng cụ đo. Chẳng hạn với bước
cơ sở trên thân thước cặp là 1mm thì số vạch trên du xích là 10, 20 và 50 sẽ
cho độ phân giải của thước cặp lần lượt là 1/10, 1/20 và 1/50. Trong các dụng
cụ đo hiển thị số, việc tăng độ phân giải của dụng cụ được thực hiện nhờ thủ
thuật chia nhỏ chu kỳ (nội suy) tín hiệu nhận được.

Để nội suy tín hiệu nhận được, người ta phải sử dụng cả 2 tín hiệu điện
áp U1 và U2 thu được từ các mạch cầu như trên hình 1.6, bởi lẽ nếu chỉ với
một tín hiệu Sin thì từ 1 giá trị của U1 hoặc U2 sẽ có hai giá trị chuyển vị x1
và x2. Nếu sử dụng cả 2 điện áp U1 và U2 thì với mỗi cặp U1 và U2 sẽ xác định
duy nhất một gía trị x. Như vậy, với mỗi chu kỳ ta có thể chia nhỏ được n lần
mong muốn. Để chia nhỏ chu kỳ T ra nhỏ hơn N lần (tức là chia T ra làm N
chu kỳ T1 sao cho T = N.T1), ta sẽ phải thiết kế một mạch điện tử sao cho
khi đầu vào ứng với mỗi một cặp giá trị độc lập của sin và cos thì ta sẽ phát ra
1 xung và nếu có tất cả N cặp sin và cosin thì ta sẽ có N xung phát ra. Tuy
nhiên, sự phụ thuộc của U vào x là khơng tuyến tính, tại các sườn của sóng
hình Sin, sự thay đổi của U theo x khá rõ ràng và dễ xác định nhưng ở lân cận
các điểm cực trị, mỗi sự thay đổi của x kéo theo sự thay đổi khó phát hiện của


17
điện áp U1 và U2. Vì vậy, nếu chia một chu kỳ thành quá nhiều phần nhỏ sẽ
làm giảm độ chính xác của bộ chia.
Hiện nay, các hãng sản xuất thiết bị đo chiều dài hiển thị số thường chỉ
chia nhỏ chu kỳ tín hiệu tới 20 lần. Để nhận được độ phân giải sẽ là 1 µm với
bước cơ sở T = 20 µm, hãng Heidenhain sử dụng bộ chia nhỏ tín hiệu ra làm
20 lần hoạt động trên nguyên lý so sánh tín hiệu vào ở mức cao. Như vậy,
dịng điện ra của mạch cầu 1.6 có dạng:
3600
3600
I1 = a.Cos (
x) = a.Cos (
x) = a.Cos (180.x)
T
20
I 2 = a.Sin(

0

(1.1)

0

360
360
x) = a.Sin(
x) = a.Sin(180.x)
T
20

(1.2)

Trong đó, a - biên độ dòng điện
x - là độ dịch chuyển của đầu đọc so với thước kính

Để có độ phân giải là 1 µm, bộ chuyển đổi tín hiệu có khả năng tạo xung
tại các vị trí có x là: 0, 1, 2, .. .,19 µm, nghĩa là nó phải phát xung tại các góc
180.n với n = 0, 1, 2, ... 19. Để làm điều này, hãng Heidenhain đã sử dụng các
mạch so sánh dùng khuếch đại thuật tốn với dịng I1 mắc vào cửa cộng và
dòng I2 mắc vào cửa trừ như hình vẽ 1.7.

I 1 = a.Cos( 18° .x )

R/cos(18° .n)
U1

I 2 = a.Sin( 18° .x )

U2

+
-

18° .n

R/sin(18° .n)
0°

18° .n

360°

Hình 1.7 M ạch khuyếch đại thuật tốn sử dụng để tạo xung


18
Để tạo xung tại các vị trí góc 180.n, người ta mắc thêm hai điện trở
R1=R/Cos(180.n) vào cửa cộng và R2 = R/Sin(180.n) vào cửa trừ của mạch so
sánh. Khi đó, U1 = I1.R1, U2 = I2.R2. Như vậy, khi đầu đọc di chuyển tương
đối so với thân thước một lượng x = n (n = 0, 1, 2, ... 19) sẽ làm cho U1 = U2.
Khi đó mạch khuyếch đại thuật toán sẽ phát ra 1 xung.
Nếu ta dùng 20 khuếch đại thuật toán và 40 điện

trở mắc theo ngun lý như trên thì ta sẽ có 20 đầu
ra là 20 xung phát ra trong 1 chu kỳ. Tuy nhiên,

thực tế không thể mắc được một mạch gồm 20 mạch
khuyếch đại thuật toán như vậy bởi lẽ các giá trị

điện trở đặc biệt là Ri = R/Cos (180. n) ( n =

0,1,..19) sẽ có những giá trị điện trở âm (Ví dụ n
=10 thì R10 = - R), hơn nữa việc dùng 20 mạch khuyếch

đại và 40 điện trở như vậy sẽ làm mạch rất cồng kềnh.

Do hàm Sin và Cos là hai hàm tuần hoàn với chu

kỳ T=3600 nhưng độ lớn giá trị lại chỉ nằm trong
vùng 00 đến 900 và Cosα = Cos(3600 - α), Sinα =
Sin(1800 + α), vì vậy các xung lớn hơn 1800 thì đều
được biểu diễn bằng các góc nhỏ hơn 1800. Như vậy, các

xung có giá trị góc là: 1980, 2160, 2340, 2520, 2880,
3060, 3240, 3420,

thì sẽ lần lượt được thay bằng các

xung có giá trị góc là: 180, 360, 540, 720, 1080 ,
1260, 1440, 1620. Xung 00 thay cho xung 1800 và xung

900 thay cho xung 2700. Đối với các góc α = 1080 ,
1260, 1440, 1620 sẽ cho các giá trị Cosα <0, tuy vậy
người ta vẫn lấy giá trị điện trở dương nhưng lấy
đảo tín hiệu vào.

19
Với cách xử lý như trên thì thực tế hãng Heidenhain chỉ sử dụng 10
mạch khuếch đại thuật toán làm nhiệm vụ so sánh để tạo ra 10 xung từ 00 đến
1620. Do mỗi xung này có thể thay thế cho 1 xung phát lệch pha với nó 1/2
chu kỳ nên khi ta tổng hợp 10 xung này có thể tương đương với tổng hợp 20
xung theo nguyên lý đã trình bày ở trên.
Tín hiệu ra của 10 mạch khuyếch đại thuật tốn

được đưa vào 1 bộ EXOR như hình vẽ 1.8 để thực hiện
quan hệ logic A ⊕ B = A.B + A.B . Nghĩa là hàm EXOR = 1
khi các biến A,B lấy các giá trị khác nhau và EXOR =
0 khi các biến A, B lấy các giá trị bằng nhau.
Tại các góc đặc biệt

00

và 900, giá trị Sin và

Cos triệt tiêu nên các giá trị R sẽ khơng xác định.

Vì vậy các xung tại 00 và 900 khơng thể tạo ra bằng
cách so sánh hai tín hiệu Sin và Cos như trên được.

Vì vậy, người ta tạo xung tại vị trí góc 00 bằng

cách so sánh giá trị của I2 ( Sin) và mức 0V và tạo

xung tại vị trí góc 900 bằng cách so sánh giá trị
của I1 dảo ( - Cos) và mức 0V.

20
I 1 (Cos)+

R

-

+
-

0°

0° , 36° , 72° , 108° , 144°
R/cos18°

I 2 (Sin) +

R/sin18°

+
-

18°

+
-

36°

+
-

54°

+
-

72°

f1

EXOR

-

R/cos36°

R/sin36°
R/cos54°

R/sin54°

TÝn hiƯu tí i
Bé ®Õm

R/cos72°

R/sin72°

R/sin90°

18° , 54° , 90° , 126° , 162°

+
-

90°

+
-

108°

+
-

126°

+
-

144°

+
-

162°

EXOR

f2

R/ cos108°

R/sin108°
R/ cos126°

R/sin126°
R/ cos144°

R/sin144°
R/ cos162°

R/sin162°

Hình 1.8 Mạch ngun lý chuyển đổi tín hiệu theo
Heidenhain
Khi đó, tín hiệu ra của hàm EXOR sẽ có dạng như

hình 1.9. Trong đó

⇒ Xung X1 là tổng hợp từ các xung 00, 360, 720,
1080, 1440.
⇒ Xung X2 là tổng hợp từ các xung 180, 540, 900,
1260, 1620.


21

⇒ Hai xung X1, X2 có chu kỳ là T/5 và lệch pha
900.

N=0
0°

1

2

3

4

5

18°

36°

54°

72°

90°

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

108° 126° 144° 162° 180° 198° 216° 234° 252° 270° 288° 306° 324° 342° 360°

0°
18°
36°
54°
72°

90°

108°

126°

144°

162°

X1

T

EXOR ( 0, 36,
72, 108, 144)

X2

EXOR ( 18, 54,
90,126, 162)

EXOR (X1, X2)

Hình 1.9 Dạng tín hiệu ra của mạch EXOR
1.1.3.2

Thủ thuật xác định chiều đếm (chiều dịch chuyển).


22
Như đã phân tích ở trên, mạch EXOR đã cho 10

xung vuông sau 1 chu kỳ T của thân thước. Nếu sử

dụng thêm một mạch EXOR kết hợp 2 tín hiệu X1 và X2,
kết hợp với phương pháp đếm sườn xung thì hồn tồn

có thể đạt được độ phân giải là T/20. Tuy nhiên,
cách làm này không xác định được chiều dịch chuyển
của đầu đọc so với thân thước.

Với các dụng cụ đo chiều dài như thước cặp hoặc panme, việc phát hiện
chiều dịch chuyển được thực hiện nhờ người đo. Với thước kính, việc phát
hiện chiều dịch chuyển được thực hiện nhờ bộ đếm thuận nghịch. Bộ đếm
thuận nghịch có khả năng tự động cộng thêm hay trừ bớt đi lượng gia tăng tùy

thuộc chiều biến thiên của gia số là thuận hay là nghịch.
Bộ đếm thuận nghịch có một đầu vào đếm thuận và

một đầu vào đếm nghịch. Khi đếm thuận (dịch xi)
thì đầu vào đếm nghịch bị ngắt, ngược lại khi đếm
nghịch (dịch ngược) thì đầu vào đếm thuận bị ngắt.

Nguyên lý của bộ đếm theo hãng Heidenhain cú dng
nh hỡnh v 1.10:

AND1
d
dt

f2

f2'

Cửa cộng

f1

(+)

f1

Bộ đếm
f2
NOT

f1
d
dt
Vi phân

f2'

(-)

AND2
Cửa trừ

Hỡnh 1.10 Nguyên lý của bộ đếm thuận nghịch


23
Xung X1 sẽ vào đầu f1, xung X2 sẽ vào đầu f2 và vào

bộ chọn chiều đếm. Quá trình xử lý xung đếm thuận
nghịch diễn ra như sau:

+ Xung f2 đi qua bộ vi phân D1 biến đổi xung chữ

nhật thành xung nhọn (khâu vi phân D1 chỉ lấy sườn

trước), như vậy ta nhận được dãy xung kim f2’. Sau

đó, xung f2’ cùng xung f1 đi đến cổng AND1.

+ Xung f2 đi qua cổng đảo NOT tạo nên tín hiệu xung đảo f 2 , sau đó f 2 đi

qua khâu vi phân D2 và trở thành xung kim ở các sườn trước của f 2 ta được
dãy xung kim f 2 ' . Sau đó, f 2 ' cùng với xung f1 đi vào cổng AND2.
Xung f1 có nhiệm vụ điều khiển khâu AND cho hai

bộ đếm cộng và bộ đếm trừ. Xung f2 đóng vai trị xung

đếm. Chiều chuyển động được nhận biết bằng chiều
bước nhảy của xung f2. Khâu vi phân biến đổi xung
chữ nhật thành dạng xung nhọn hình kim. Xung nhọn là

dương khi tín hiệu vào nhảy từ mức cao xuống mức
thấp, và xung nhọn là âm khi tín hiệu vào nhảy từ
mức thấp lên mức cao.

Nếu thước đo chuyển động sang phải: xung f1 sẽ

sớm pha 900 hơn xung f2. Tại thời điểm ban đầu, xung

f2 nhảy từ mức thấp L lên mức cao H nên qua khâu vi

phân ta được xung f2’ dương. Lúc này xung f1 cùng ở

mức cao nên tín hiệu qua khâu AND1 tới cửa cộng và
vào bộ đếm còn xung

f 2 ' sẽ có giá trị âm, đối ngược

với f1 nên không qua được khâu AND2 để vào bộ đếm.
ĐẦU ĐỌC CHẠY SANG PHẢI

ĐẦU ĐỌC CHẠY SANG TRÁI


24

H

H

f1

f1
L

f2

L

H

H

f2

L

L

f2'

f2'

f2'

f2'

f1 AND f2'

f1 AND f2'

f1 AND f2'

f1 AND f2'

Hình 1.11 Phương pháp xác định chiều đếm
Nếu thước đo chuyển động sang trái: xung f2 sẽ

sớm pha 900 hơn xung f1 Tại thời điểm ban đầu, xung

f2 nhảy từ mức cao H xuống mức thấp L nên qua khâu
vi phân ta được xung f2’ âm. Lúc này xung f1 cùng ở

mức cao nên tín hiệu khơng qua được
cửa cộng và vào bộ đếm, cịn xung

khâu AND1 tới

f 2 ' sẽ có giá trị

dương cùng dấu với giá trị của f1 nên qua được khâu

AND2

tới cửa trừ để vào bộ đếm.

1.2 Các phương pháp chế tạo thân thước kính
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp có thể tạo ra được các thân thước
với các yêu cầu kỹ thuật như đã phân tích ở trên. Trong nội dung của đề tài
nghiên cứu khoa học cấp bộ B2005-28-215 của nhóm nghiên cứu thuộc Bộ
mơn Cơ khí Chính xác và Quang học đã tiến hành nghiên cứu chế tạo thành
cơng một loạt thước kính với thân thước được gia công bằng phương pháp gia
công cơ khí truyền thống, phương pháp in trực tiếp trên nền vật liệu Polyme
và phương pháp bốc bay trực tiếp nhôm lên trên bề mặt thủy tinh quang học.


25
Khi nghiên cứu ứng dụng thước kính trong các máy gia cơng cơ khí,
nhóm nghiên cứu đã chế tạo thước kính với thân thước và mặt nạ được làm
bằng vật liệu đồng (Cu) và lưới vạch có T=0.4 mm đã được gia cơng bằng
máy phay CNC. Hình vẽ 1.12 hình ảnh thước kính có độ phân giải 0.1mm với
thân thước và mặt nạ được gia công bằng phương pháp cắt gọt truyền thống.

Hình 1.12 Thước kính với thân thước được gia công bằng máy phay CNC
Khi nghiên cứu chế tạo thước kính với phạm vi đo lớn, nhóm nghiên
cứu đã nghiên cứu chế tạo thân thước và mặt nạ bằng vật liệu Polyme. Lưới
vạch trên thân thước và mặt nạ được tạo ra bằng cách in mực trực tiếp trên
nền Polyme bằng đầu in Laser. Hình vẽ 1.13 là hình ảnh một số thân thước
kính đã được in theo phương pháp này.

Hình 1.13.Thân thước kính được chế tạo bằng cách in mực lên nền Polyme.

Với phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công hệ
thống đo dịch chuyển dài với độ phân giải 0.02 và phạm vi đo lên tới 1.2 mét