[发明专利]微纳米三维接触扫描测量探头

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明微纳米三维接触扫描测量探头的结构特点是设置：

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；

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。

本发明微纳米三维接触扫描测量探头的结构特点也在于：