[发明专利]量子隧穿和球面散射场复合原理传感方法与装置

说明书

量子隧穿和球面散射场复合原理传感方法与装置属于精密传感与测量技术；本发明针对导体被测物采用量子隧穿和球面散射场复合原理传感，首先调整复合原理测头和被测件的相对距离进入工作区间，然后采用球面散射场原理得到瞄准间隙的粗测结果，据此将被测物和微测球的瞄准间隙直接调整至隧穿工作区间，然后通过三维量子隧穿效应的产生将瞄准间隙转化为传感信号；本发明还提供了一种复合原理传感装置；本发明在测量导体被测物时有效兼顾了纳米分辨力、三维各向同性和非接触式传感特性，可实现大深宽比微纳/微小结构的高分辨力测量。

技术领域

本发明属于精密传感与测量技术领域，主要涉及一种量子隧穿和球面散射场复合原理传感方法与装置。

背景技术

随着当前精密加工制造水平的日益提高，具有大深宽比特征的微纳/微小结构在尖端技术领域得到应用，用于此类结构精密测量的传感方法与传感测头随之成为当前研究热点。高分辨力与瞄准精度、三维各向同性和无损伤快速测量能力是实现大深宽比结构高精度测量的关键要素。然而，将现有的精密测头及传感技术方案应用到具有大深宽比特征的结构测量时，很难实现纳米级高分辨力、三维各向同性、大深宽比测量能力和无损伤测量特性的有效兼顾和高精度测量。

目前，现有的精密测头及传感技术方案根据基本原理可分为三种类型：即微力接触式测量方案、扫描探针方案和聚焦光探针方案。微力接触式测量方案很难同时获得匹配的垂直于测杆的二维平面内和轴向敏感特性，测头姿态误差等问题较为突出，很难实现真正三维测量，且由于测力变形与损伤的存在其动态特性差，无法实现无损伤快速测量；扫描探针与聚焦光探针一般只具有一维敏感特性，不具有实现横向高分辨的潜力，配合运动扫描最多只能实现二维半测量，不具有真正三维测量能力。因此，针对大深宽比结构的测量，亟需提出一种兼具纳米级高分辨力、真正三维、大深宽比测量能力和非接触测量特征的传感技术方案。

针对该问题，哈尔滨工业大学提出一种基于球面散射电场原理的传感测量方法(1.Ultraprecision 3D probing system based on spherical capacitiveplate.Sensors and Actuators A:Physical,2010；2.基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，中国专利号：ZL200910072143.2)。该传感技术方案的技术特点为：(1)首次将球面散射电场原理应用于金属测球使其作为球形电容极板实现了非接触式测量，使该测头具有了无损伤快速测量的能力；(2)该技术方案的传感特性与金属测球的直径关系密切，随着金属测球直径减小其传感分辨力随之变差；目前已工程实现的最小测球直径为500μm，目前尚无法测量微纳尺度的大深宽比结构。

重庆理工大学提出一种基于隧道效应的纳米位移传感器方案(一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，中国专利号：ZL201010101154.1)。该方案的技术特点为：(1)该方案是一种微力接触式测量方案，测量过程中测头接触被测物体，通过导杆将待测面表面的垂向高度变化传递至探针与石墨块的间距上，并利用一维隧道效应原理将探针与石墨块的间距作为敏感单元进行传感，可以实现垂向纳米级的高分辨力；(2)由于该传感技术方案采用的是探针，只具备垂向高分辨力测量能力，基本不具备水平向测量能力，即只具有垂向一维测量能力而不具有三维测量能力，故无法测量大深宽比微小结构尺寸参数和水平向几何参数；(3)由于测头与被测件需要接触才能使探针和石墨块间发生隧道效应，存在划伤待测面和测头的风险，则该接触式传感技术方案动态特性较差，很难实现快速无损伤测量；(4)与所有接触式测头一样，测杆长度增大其测量力变形会不可避免地引入误差导致精度下降。