微纳米三维接触扫描测量探头

摘要

本发明公开了一种微纳米三维接触扫描测量探头，其特征是设置一测头单元是在一固定圆环的中央设置三臂悬浮片，在三臂悬浮片的各悬臂的臂端连接有悬臂簧片，各悬臂簧片的另一端与固定圆环相连接，形成三臂悬浮片在固定圆环中的悬浮结构；在三臂悬浮片一侧的中央位置处设置敏感元件测量反射镜，另一侧安装带有红宝石测球的测杆；设置一测量单元用于感测敏感元件测量反射镜的位移和二维角度。本发明能获得大量程、高精度、高灵敏度和小测力的探测效果。

权利要求

1.微纳米三维接触扫描测量探头，其特征是设置：

一测头单元：在一固定圆环(24)的中央设置三臂悬浮片(10)，在所述三臂悬浮片(10)的各悬臂的臂端连接有悬臂簧片(25)，所述各悬臂簧片(25)的另一端与固定圆环(24)相连接，形成三臂悬浮片(10)在固定圆环(24)中的悬浮结构；在所述三臂悬浮片(10)一侧的中央位置处设置敏感元件测量反射镜(9)，另一侧安装带有红宝石测球(12)的测杆(11)；

一测量单元：用于感测敏感元件测量反射镜(9)的位移和二维角度；所述测量单元的光路结构为：激光光源(1)发射出的准直光经过第一分光镜(4)分成两路准直光，其中一路准直光依次经过第一1/4波片(5)和转折反射镜(6)照射在参考反射镜(3)上并原路返回进入第一分光镜(4)；另一路准直光依次经过第二1/4波片(7)和第二分光镜(13)照射在测量反射镜(9)上，照在所述测量反射镜(9)上的部分反射光原路返回至第一分光镜(4)，所述第一分光镜(4)的输出光束依次经过第三1/4波片(16)和第三分光镜(17)后分成两路，一路进入第四分光镜(20)后再分成两路，分别照在第一光电感测器(18)和第二光电感测器(19)上；另一路进入第五分光镜(23)后同样再被分成两路，分别照在第三光电感测器(21)和第四光电感测器(22)上；由所述第二分光镜(13)将所述测量反射镜(9)的部分反射光转折，并经过透镜(14)照射在四象限光电感测器(15)上。

2.根据权利要求1所述的微纳米三维接触扫描测量探头，其特征是：设置可以进行左右偏摆角和前后俯仰角调节的反射镜微调座(2)和第二分光镜微调座(8)，所述参考反射镜(3)和第二分光镜(13)分别固定设置在反射镜微调座(2)和第二分光镜微调座(8)上，调节所述反射镜微调座(2)，以使参考反射镜(3)的反射光束和测量反射镜(9)的反射光束分别在第一光电感测器(18)，第二光电感测器(19)、第三光电感测器(21)和第四光电感测器(22)上重合；调节所述第二分光镜微调座(8)使测量反射镜(9)的部分反射光依次经第二分光镜(13)、透镜(14)照射在四象限光电感测器(15)的中心位置处。

3.根据权利要求2所述的微纳米三维接触扫描测量探头，其特征是所述反射镜微调座(2)和第二分光镜微调座(8)设置为二维微调机构，所述二维微调机构是由前挡板(34)、中挡板(33)和后挡板(32)组成，中挡板(33)以其相互垂直的两侧边分别与前挡板(34)和后挡板(32)形成挠性连接，并在前挡板(34)、中挡板(33)和后挡板(32)之间分别设置各螺钉以调整前挡板(34)的左右偏摆角和前后俯仰角；后挡板(32)上呈“L”连接的固定板作为二维微调机构的基座和外部壳体固定设置；参考反射镜(3)和第二分光镜(13)分别固定设置在各自二维微调机构中的前挡板(34)上。

说明书

微纳米三维接触扫描测量探头

技术领域

[0001] 本发明涉及微纳米测试领域，更具体的说是一种应用在纳米三坐标测量机上的接触扫描式三维探头，可以感测物体表面的三维形貌。

背景技术

[0002] 近年来，微电子技术的快速发展引发了一场微小型化的革命，尤其是微机电系统MEMS器件的加工技术的发展，出现了各种微纳米级的微小器件，如微齿轮、微型孔，微型喷嘴，微型台阶等MEMS产品。这些微器件的几何尺寸几乎都处于微纳米量级，要对这些微器件进行精密测量，就要发展特殊的高精度检测方法与技术手段。为此各国相关机构都致力于研究具有纳米级精度的三坐标测量机。

[0003] 三坐标测量机的探头部分是三坐标测量机的重要核心部件之一，探头的精度大大影响了整体三坐标测量机的精度。探头有接触式和非接触式之分，接触式探头可以用来测量非接触式探头所不能测量的具有斜面、台阶、深孔、圆弧等特征的工件。接触式探头又分为接触触发式探头和接触扫描式探头两种。其中，接触触发式探头是指探头本身只起触发作用，即当测球接触到被测工件时，探头系统马上输出反馈信号给机台运动控制系统使机台停下来，工件的具体尺寸是靠机台的三轴测量系统来给出的，探头本身并不具有测量功能，这种形式的探头不能单独使用，必须与机台一起工作。而接触扫描式探头除了具备接触触发式探头的功能外，还具有测量功能，可以直接对工件进行感测并给出测量结果。

[0004] 目前已经公布的接触式探头主要以接触触发式为主，比如美国国家标准与技术研究院、英国国家物理实验室、东京大学、台湾大学、天津大学、合肥工业大学等机构公布的探头。接触扫描式探头主要包括德国联邦物理研究院PTB、荷兰Eindhoven工业大学、瑞士联邦计量鉴定局METAS公布的探头。PTB的测头由硅膜和测杆组成。当测杆的端部受到外力作用的时候，导致硅膜变形，通过硅膜上的压阻变化检测出测头端部的位移和力的大小，该探头采用24个压阻检测的方式，提高了检测灵敏度，降低了测头对温度的影响，但其采用薄膜结构使应力分布不均匀，硅膜结构比较容易断裂。荷兰Eindhoven大学开发的基于应变计的三维微接触式传感测头，应变计与电路和弹性元件一起通过沉淀、制版、刻蚀等工艺后被制作成一个整体，测头各个方向的力和位移的变化通过装在敏感粱上的应变计进行检测，体积较小，但应变片的检测灵敏度和精度都比较低，且其测头采用三角形拓扑结构，解耦复杂。瑞士联邦计量检定局METAS开发了一种电磁式微接触式测头，测头具有三个方向的自由度，每个方向的检测都采用电感来实现，三个方向的测力相同，结构主要由铝制成，电磁式测头的测量范围较高，横向捡测灵敏度较高且接触力较小，但其结构非常复杂、装调困难，且采用三角形悬挂结构，解耦非常麻烦。

发明内容

[0005] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种微纳米三维接触扫描测量探头，以期获得大量程、高精度、高灵敏度和小测力的探测效果。

[0006] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

[0007] 本发明微纳米三维接触扫描测量探头的结构特点是设置：

[0008] 一测头单元：在一固定圆环的中央设置三臂悬浮片，在所述三臂悬浮片的各悬臂的臂端连接有悬臂簧片，所述各悬臂簧片的另一端与固定圆环相连接，形成三臂悬浮片在固定圆环中的悬浮结构；在所述三臂悬浮片一侧的中央位置处设置敏感元件测量反射镜，另一侧安装带有红宝石测球的测杆；

[0009] 一测量单元：用于感测敏感元件测量反射镜的位移和二维角度；所述测量单元的光路结构为：激光光源发射出的准直光经过第一分光镜分成两路准直光，其中一路准直光依次经过第一1/4波片和转折反射镜照射在参考反射镜上并原路返回进入第一分光镜；另一路准直光依次经过第二1/4波片和第二分光镜照射在测量反射镜上，照在所述测量反射镜上的部分反射光原路返回至第一分光镜，所述第一分光镜的输出光束依次经过第三1/4波片和第三分光镜后分成两路，一路进入第四分光镜后再分成两路，分别照在第一光电感测器和第二光电感测器上；另一路进入第五分光镜后同样再被分成两路，分别照在第三光电感测器和第四光电感测器上；由所述第二分光镜将所述测量反射镜的部分反射光转折，并经过透镜照射在四象限光电感测器上。

[0010] 本发明微纳米三维接触扫描测量探头的结构特点也在于：

[0011] 设置可以进行左右偏摆角和前后俯仰角调节的反射镜微调座和第二分光镜微调座，所述参考反射镜和第二分光镜分别固定设置在反射镜微调座和第二分光镜微调座上，调节所述反射镜微调座，以使参考反射镜的反射光束和测量反射镜的反射光束分别在第一光电感测器，第二光电感测器、第三光电感测器和第四光电感测器上重合；调节所述第二分光镜微调座使测量反射镜的部分反射光依次经第二分光镜、透镜照射在四象限光电感测器的中心位置处。

[0012] 所述反射镜微调座和第二分光镜微调座设置为二维微调机构，所述二维微调机构是由前挡板、中挡板和后挡板组成，中挡板以其相互垂直的两侧边分别与前挡板和后挡板形成挠性连接，并在前挡板、中挡板和后挡板之间分别设置各螺钉以调整前挡板的左右偏摆角和前后俯仰角；后挡板上呈“L”连接的固定板作为二维微调机构的基座和外部壳体固定设置；参考反射镜和第二分光镜分别固定设置在各自二维微调机构中的前挡板上。

[0013] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

[0014] 1、本发明的测量单元中的可以感测位移和二维角度的三自由度的光学传感器是采用同一光源，且对同一被测反射镜的同一光束进行位移和二维角度的感测，光路结构简单精巧。

[0015] 2、本发明通过反射镜微调座和第二分光镜微调座的二维微调结构使测量单元中的位移和二维角度传感器更轻松方便的调整。

[0016] 3、本发明在测头单元设置具有高灵敏度和高稳定性的悬浮结构，配合采用位移和二维角度传感器，可以使探头达到的技术效果是：测量范围：XY方向正负20微米，Z方向20微米；分辨力：1纳米；重复性：小于20纳米；测力小于10毫牛。

附图说明

[0017] 图1为本发明中测量单元光路结构图；

[0018] 图2为本发明中测头单元结构图；

[0019] 图3为本发明中二维角度微调座结构图；

[0020] 图4a为本发明中二维角度微调座主视示意图；

[0021] 图4b为图4a的A-A剖视图；

[0022] 图4c为图4a的B-B剖视图；

[0023] 图5为本发明三维接触扫描探头整体结构图。

[0024] 图中标号：1激光光源；2反射镜微调座；3参考反射镜；4第一分光镜；5第一1/4波片；6转折反射镜；7第二1/4波片；8第二分光镜微调座；9测量反射镜；10三臂悬浮片；11测杆；12红宝石测球；13第二分光镜；14透镜；15四象限感测器；16第三1/4波片；17第三分光镜；18第一光电感测器；19第二光电感测器；20第四分光镜；21第三光电感测器；
22第四光电感测器；23第五分光镜；24固定圆环；25悬臂簧片；28偏摆紧定螺钉；29偏摆六角凹头螺钉；30俯仰紧定螺钉；31俯仰六角凹头螺钉；32后挡板；33中挡板；34前挡板。

具体实施方式

[0025] 参见图1，本实施例中微纳米三维接触扫描测量探头的结构形式是设置：

[0026] 一测头单元：是在一固定圆环24的中央设置三臂悬浮片10，在三臂悬浮片10的各悬臂的臂端连接有悬臂簧片25，各悬臂簧片25的另一端与固定圆环24相连接，形成三臂悬浮片10在固定圆环24中的悬浮结构；在三臂悬浮片10一侧的中央位置处设置敏感元件测量反射镜9，另一侧安装带有红宝石测球12的测杆11；

[0027] 一测量单元：用于感测敏感元件测量反射镜9的位移和二维角度；测量单元的光路结构为：激光光源1发射出的准直光经过第一分光镜4分成两路准直光，其中一路准直光依次经过第一1/4波片5和转折反射镜6照射在参考反射镜3上并原路返回进入第一分光镜4；另一路准直光依次经过第二1/4波片7和第二分光镜13照射在测量反射镜9上，照在测量反射镜9上的部分反射光原路返回至第一分光镜4，第一分光镜4的输出光束依次经过第三1/4波片16和第三分光镜17分成两路，一路进入第四分光镜20后再分成两路，分别照在第一光电感测器18和第二光电感测器19上；另一路进入第五分光镜23后同样再分成两路，分别照在第三光电感测器21和第四光电感测器22上，用于感测位移引起0-90-180-270度不同相位的干涉信号的光强变化，测得测量反射镜9的位移值；由第二分光镜13将测量反射镜9的部分反射光转折，并经过透镜14照射在四象限光电感测器15上，用于感测测量反射镜9沿XY方向的二维角度值，当测量反射镜9有小角度变化时，聚焦在四象限光电感测器15上的光点会发生相应的变化，从而感测沿X轴和Y轴旋转的两个小角度。

[0028] 具体实施中，设置可以进行左右偏摆角和前后俯仰角调节的反射镜微调座2和第二分光镜微调座8，参考反射镜3和第二分光镜13分别固定设置在反射镜微调座2和第二分光镜微调座8上，调节反射镜微调座2，以使参考反射镜3的反射光束和测量反射镜9的反射光束分别在第一光电感测器18，第二光电感测器19、第三光电感测器21和第四光电感测器22上重合，形成干涉，并记录测量反射镜9的位移值；调节第二分光镜微调座8使测量反射镜9的部分反射光依次经第二分光镜13、透镜14照射在四象限光电感测器15的中心位置处，以保证位移和二维角度传感器XY值的归零。

[0029] 参见图3，本实施例中，反射镜微调座2和第二分光镜微调座8设置为二维微调机构，二维微调机构是由前挡板34、中挡板33和后挡板32组成，中挡板33以其相互垂直的两侧边分别与前挡板34和后挡板32形成挠性连接，并在前挡板34、中挡板33和后挡板32之间分别设置各螺钉以调整前挡板34的左右偏摆角和前后俯仰角；后挡板32上呈“L”连接的固定板作为二维微调机构的基座和外部壳体固定设置；参考反射镜3和第二分光镜13分别固定设置在各自二维微调机构中的前挡板34上。

[0030] 参见图4a、图4b和图4c，用于调整偏摆的是一偏摆紧定螺钉28和偏摆六角凹头螺钉29，其中，偏摆紧定螺钉28与后挡板32上的螺纹孔相配合，偏摆六角凹头螺钉29与中挡板33上的螺纹孔相配合，偏摆紧定螺钉28与偏摆六角凹头螺钉29的中心处在同一水平线上。调整偏摆紧定螺钉28时会对中挡板33产生推的作用，而调整偏摆六角凹头螺钉29时，会对中挡板33产生拉的作用。一推一拉作用便可实现前挡板34的水平偏摆角度的调整。同理，用于调整俯仰的是一俯仰紧定螺钉30和一俯仰六角凹头螺钉31，其中，俯仰紧定螺钉30与中挡板33上的螺纹孔相配合，俯仰六角凹头螺钉31与前挡板34上的螺纹孔相配合，俯仰紧定螺钉30与俯仰六角凹头螺钉31的中心线处在同一竖直线上，调整俯仰紧定螺钉30时会对前挡板34产生推的作用，而俯仰调整六角凹头螺钉31时，会对前挡板34产生拉的作用，以此实现对前挡板34的竖直俯仰角度的调整。

[0031] 参见图5，本实施例中的测量单元中各光学器件的装夹固定设置为：激光器1由固定底座固定，第一分光镜4、第一1/4波片5、第二1/4波片7、第三1/4波片16、第三分光镜17、第四分光镜20和第五分光镜23由夹具所夹持，转折反射镜6由″L″型固定座固定，透镜14和四象限感测器15由″U″型固定座固定，参考反射镜3和第二分光镜13分别由2反射镜微调座和8第二分光镜微调座固定并进行调节。

[0032] 微纳米三维接触扫描测量探头属于接触式探头，在感测物体表面三维形貌的同时，要保证不能破坏物体表面，因此需要高灵敏度的力学机构。本实施例中作为弹性元件的悬臂簧片25采用铍青铜簧片，测量反射镜9粘贴在悬浮的三臂悬浮片10上，三臂悬浮片10和圆环24之间用三片铍青铜簧片进行连接。当测杆11前端的红宝石测球12接触物体而受力时，三个铍青铜弹性簧片会发生变形，导致三臂悬浮片10和测量反射镜9会发生位移和二维角度的变化，此变化可以由上部的位移和二维角度传感器进行感测。同样，当红宝石测球12在物体表面接触扫描时，物体表面的三维形貌可以由此探头感测出。

[0033] 本实施例中的纳米三坐标测量机接触扫描式三维探头，突破了常规的三坐标测量机探头仅仅有触发功能的限制，而且有扫描测量功能，测量范围较大，XY方向有正负20μm，Z向有20μm；测量精度较高，各向重复性标准差均小于20nm；各向同性且测力较小，约10mN。

[0034] 通过以下实验获得相关的实验数据，以验证其测量范围大、测量精度高，以及各向同性且测力较小等特点。

[0035] 1、探头回零实验：

[0036] 此实验是检验探头回零点的重复性实验。方法是：搭建一维微动平台，表面光洁的量块固定在一维平台上作为探头触碰的标准件，手动一维平台去触碰探针，探针触碰后，继续推平台前进约20μm，然后返回，当探针脱离标准件时，记录此刻探头的读数，多次重复上述步骤即可，实验数据如表1所示：

[0037] 表1各方向回零重复性的实验数据

[0038]

[0039] 从实验数据可以看出：该探头回零误差标准差小于10nm，从而证明了该探头的悬浮机构具有良好的弹性。

[0040] 2、探头各向重复性实验：

[0041] 探头XY方向重复性实验架构如下：搭建一维平台，用PI纳米电机作驱动，用SIOS激光干涉仪作为位移基准。表面光洁的量块固定在一维平台上，作为探头触碰的标准件。当测头触碰标准件，触碰后，PI电机驱动平台进行5μm、10μm、15μm、20μm定位，同时记录SIOS激光干涉仪读数和探头XY的两路信号。多次重复以上步骤即可。之后探头旋转90度、180度、270度，继续重复上述实验。也就是对探头X正方向，Y正方向，X负方向，Y负方向进行触碰。探头Z方向的重复性实验在一台纳米三坐标测量机上平台上完成。此平台可以在Z方向运动，也是用PI纳米电机驱动，采用激光回馈干涉仪作为位移标准。同样将触碰的标准件固定至平台上，驱动平台Z向运动，当测头触碰标准件后，PI电机驱动平台进行
2μm、4μm、6μm…20μm的定位，同时记录激光干涉仪读数和简易的迈克尔逊干涉仪的读数。多次重复上述实验。实验结果如表2，表3，表4所示。

[0042] 表2X向各点重复性数据

[0043]

[0044] 表3Y向各点重复性数据

[0045]

[0046] 表4Z向各点重复性数据

[0047]

[0048] 从以上数据可以看出：X正方向、X负方向、Y正方向、Y负方向和Z方向触碰，探头的输出和作为标准的位移是线性关系。通过计算可得各向重复性的标准差均小于20nm。

[0049] 3、探头测力实验：

[0050] 表5为探头XYZ方向触碰位移为20μm时的测力大小，结果表明测力约为10mN[0051] 表5测力实验结果

[0052]次数 1 2 3 4 5 平均值
X向(mN) 12.4 12.1 10.7 10.2 11.0 11.3
Y向(mN) 8.7 10.2 9.8 10.4 10.8 10.0
Z向(mN) 13.8 10.4 9.0 9.3 9.4 10.4

[0053] 由上述几个实验结果可以得出：此接触扫描式三维探头测量范围较大，XY方向有正负20μm，Z向有20μm；测量精度较高，各向重复性标准差均小于20nm；各向同性且测力较小，约10mN.目前此探头已成功过应用在实验室纳米三坐标测量机上。