[发明专利]一种主动式恒力触测的扫描传感器及其使用方法

权利要求书

1.一种主动式恒力触测的扫描传感器，其特征在于：包括非接触传感器(1)、第一固定座(2)、线弹性形变机构(3)、微纳测针(4)和压电陶瓷(6)；所述线弹性形变机构(3)包括中间臂、第一侧臂(33)和第二侧臂(34)，所述第一侧臂(33)的一端连接在所述中间臂的一侧上，且在连接点处将所述中间臂分为长臂(31)和短臂(32)，所述第二侧臂(34)的一端连接在所述中间臂的另一侧上，且所述第一侧臂(33)与所述第二侧臂(34)相对于所述中间臂对称设置；

所述第一侧臂(33)与所述第二侧臂(34)分别与所述第一固定座(2)的下端面固定连接，且所述中间臂的上端面与所述第一固定座(2)的下端面之间预留有间隙，所述间隙用于给所述长臂(31)和所述短臂(32)提供形变空间；所述微纳测针(4)的一端与所述中间臂的下端面垂直连接，且所述微纳测针(4)的测针针尖(41)的指向与所述长臂(31)的延伸方向一致；所述压电陶瓷(6)位于所述短臂(32)末端的正下方，且所述压电陶瓷(6)发生形变时能够使所述短臂(32)的末端发生沿垂直于所述第一固定座(2)下端面方向的形变位移；所述非接触传感器(1)位于所述长臂(31)末端的正上方，且所述长臂(31)的末端发生沿垂直于所述第一固定座(2)下端面方向的形变位移时，始终处于所述非接触传感器(1)测量范围内。

2.根据权利要求1所述的一种主动式恒力触测的扫描传感器，其特征在于：所述第一侧臂(33)、第二侧臂(34)和中间臂位于同一平面，且所述第一侧臂(33)与所述长臂(31)之间的夹角为40°至60°，所述第二侧臂(34)与所述长臂(31)之间的夹角为40°至60°。

3.根据权利要求2所述的一种主动式恒力触测的扫描传感器，其特征在于：所述第一侧臂(33)与所述长臂(31)之间连接有加强臂(35)，且所述加强臂(35)与所述第一侧臂(33)和所述长臂(31)围成内等腰三角形；所述第二侧臂(34)与所述长臂(31)之间连接有加强臂(35)，且所述加强臂(35)与所述第二侧臂(34)和所述长臂(31)围成内等腰三角形。

4.根据权利要求1所述的一种主动式恒力触测的扫描传感器，其特征在于：所述第一固定座(2)的下端面上设置有两个凸块(21)，每个所述凸块(21)的高度为100μm-200μm，所述第一侧臂(33)远离所述中间臂的一端固定连接在其中一个所述凸块(21)上，所述第二侧臂(34)远离所述中间臂的一端固定连接在另一个所述凸块(21)上。

5.根据权利要求1所述的一种主动式恒力触测的扫描传感器，其特征在于：所述中间臂的下端面上开设有第一通孔(36)，所述第一通孔(36)位于所述第一侧臂(33)和第二侧臂(34)与所述中间臂交接的位置处，所述微纳测针(4)的一端伸进所述第一通孔(36)后与所述中间臂连接。

6.根据权利要求1所述的一种主动式恒力触测的扫描传感器，其特征在于：所述第一固定座(2)上开设有第二通孔(22)，所述第二通孔(22)位于所述长臂(31)末端的正上方，所述非接触传感器(1)设置在所述第二通孔(22)内。

7.根据权利要求1所述的一种主动式恒力触测的扫描传感器，其特征在于：所述微纳测针(4)的刚性大于所述线弹性形变机构(3)的刚性。

8.根据权利要求1所述的一种主动式恒力触测的扫描传感器，其特征在于：所述压电陶瓷(6)的下端面设置在第二固定座(5)的上端面上，所述第二固定座(5)位于所述短臂(32)的下方。

9.根据权利要求1所述的一种主动式恒力触测的扫描传感器，其特征在于：所述微纳测针(4)的测针针尖(41)为锥形，且所述测针针尖(41)上涂覆有硬质氧化涂层。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种主动式恒力触测的扫描传感器的使用方法，其特征在于：使所述微纳测针(4)的测针针尖(41)与被测样本的被测面接触，调节所述压电陶瓷(6)的驱动电压，使所述压电陶瓷(6)的上端面与所述短臂(32)的下端面产生弹性接触，且使驱动电压处于动态平衡中，保证此时的微纳测针(4)处于连续的平衡稳定状态；

当被测样本沿扫描方向运动，所述测针针尖(41)与被测样本表面之间的下一个触测点与前触测点不相同时，微纳测针(4)的平衡稳定状态被打破，此时，利用所述压电陶瓷(6)的驱动电压与位移量的标定曲线，改变驱动电压，使所述压电陶瓷(6)发生形变，进而使所述短臂(32)沿垂直于所述第一固定座(2)下端面的方向发生形变位移，进而使微纳测针(4)达到新的平衡稳定状态。