[实用新型]基于石英音叉的三维谐振触发测头

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种可以应用在各种微型机械和MEMS器件三维形貌测量领域中的三维谐振触发测头。

背景技术

近年来，微细加工技术快速发展使得产品的导向趋于微型化，出现各种微型机械和MEMS器件。这些微型机械的几何特征尺寸在数十微米至数毫米之间、尺寸精度在数十纳米至数百纳米。受限于测球尺寸和测头系统的性能，传统三坐标测量机无法满足这些器件的精密测量要求，虽然AFM和STM在纳米尺寸上可以用来进行微器件、微结构的表面形貌检测，但是测量范围受到很大的限制，因此发展体积小、精度高的微纳米级三坐标测量机技术成为当务之急。

测头是测量机达到高精度的关键之一，也是坐标测量机的核心。目前，微纳米三坐标测量机(Micro-nano Coordinating Measuring Machine，简称微纳米CMM)测头一般分为接触式和非接触式两类。

接触式测头是测头与被测工件直接接触，采集轮廓点，然后进行数据处理，进而得到被测件三维形貌信息。接触式测头的优点是可靠性好、精度高，可实现三维微位移测量，但其测头测端与被测表面接触时产生的测力会引起变形或损伤，尤其不能测量软质表面。随着测头测杆越来越细、测球越来越小，测球与试样表面原子间的各种作用力对测头的影响越来越严重。同时，接触式测头的动态相应大大降低。

非接触式测头主要指光学非接触式测头，如激光三角法测头，是根据光学原理，利用光束(通常为激光束)从被测物表反射到接收器中来获取表面形貌数据。非接触式测头与被测件无接触，没有测量力和摩擦力，测量速度和采样频率高，可用于测量柔软材料。但是由于受物表特性如颜色、光度、粗糙度等的影响较大，目前仍不能达到接触式测头的精度。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提出一种基于石英音叉的三维谐振触发测头，利用石英音叉所具有的高谐振频率、高品质因数和自身具有的压电传感器，与一体式微测杆测球相结合，构成轻触模式三维谐振触法测头，其与三维工作台结合，用于实现对微型机械和MEMS器件等各种复杂形体的高精度、低破坏性三维触发定位和测量。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型基于石英音叉的三维谐振触发测头，其结构特点是：采用石英音叉作为实现三维谐振触发定位的微力传感器，在所述石英音叉的一个音叉臂上固定有压电驱动器，在另一个音叉臂上固定有压电传感器；设置所述石英音叉在Z方向上的振动方向与试样表面垂直，在X、Y方向上的振动方向与试样表面平行，在靠近试样所在一侧的音叉臂上，固定设置一体式微测杆测球，以锁相环路输出的正弦交流信号施加于所述压电驱动器作为励振信号，通过压电传感器检测音叉谐振信号。

本实用新型基于石英音叉的三维谐振触发测头的三维谐振触发定位方法是呈水平放置试样，以锁相环路输出的正弦交流信号施加于压电驱动器作为励振信号，通过压电传感器检测音叉谐振信号并输出；所述三维谐振触发测头在Z方向工作于轻敲模式，石英音叉的振动方向与试样垂直；在X、Y方向上工作于摩擦模式，石英音叉的振动方向与试样平行；所述三维谐振触发测头保持不动，以试样在水平面内的平移完成三维谐振触发测头在试样的表面的三维触发定位，或试样保持不动，以三维谐振触发测头在水平面内的平移完成三维谐振触发测头在试样的表面的三维触发定位。

本实用新型利用石英音叉本身的逆压电特性，驱动微测杆测球一起谐振，同时通过谐振电路将其谐振信号检测出来，再通过锁相环路和驱动电路，跟踪并锁定测头的谐振频率。与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型由于采用一体式微测杆测球做探头、采用石英音叉做传感器构成三维测头，可实现对各种微型机械和MEMS器件等复杂形体的精密三维形貌测量。

2、本实用新型三维谐振触发测头工作于谐振状态，一体式微测杆测球与试样的接触时间短，测量力小，可以达到nN级，对试样表面的损伤小；

3、本实用新型经实验验证，石英音叉与微测杆测球组合后，品质因数仍然较高，可以保证在垂直方向上纳米/亚纳米的空间分辨率；

4、本实用新型通过对三维谐振触发测头和系统的测试结果分析，X方向上的系统垂直分辨率约为2.7nm；Y方向上系统垂直分辨率约为1.6nm；Z方向上系统的垂直分辨率约为0.4nm。

附图说明

图1a为本实用新型三维谐振测头在Z向上示意图；

图1b为本实用新型三维谐振测头在X、Y向上示意图；

图2a为本实用新型测头在石英音叉外壳未去掉时的幅频图；