CN102494607B - 三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头，其特征是在固定圆环的中央设置十字悬浮片，十字悬浮片中各悬臂是在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，形成十字悬浮片在固定圆环中的悬浮结构；在十字悬浮片朝向筒体内的一侧平面上，处在十字悬浮片的中央位置处设置一中央平面反光镜，处在十字悬浮片的至少一个悬臂的臂端部位设置有悬臂平面反光镜；在十字悬浮片朝向筒体外的一侧平面上，扫描探针固定安装在十字悬浮片的中心，处在扫描探头最前端的测球固定安装在扫描探针的端部。本发明能够获得大量程、高精度、高灵敏度和小测力的探测效果。

Description

三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头

技术领域

本发明涉及微纳米测量领域，更具体地说特别是涉及一种应用在纳米三坐标测量机中的高精度大量程三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头。 

背景技术

随着微纳加工技术的发展，尺寸介于毫米和微米之间的微型器件相继问世，如微透镜、微齿轮、微芯片、燃油喷油嘴等；微器件的形状日趋复杂，允许的尺寸公差越来越小，因此在实践中迫切需要具有纳米级测量精度的三坐标测量机。 

纳米三坐标测量机主要由具有纳米定位测量功能的三维运动平台和具有感测功能的探头两部分组成。探头分接触式和非接触式两种，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***马上输出反馈信号给机台运动控制***使机台停下来，工件的具体尺寸是靠机台的三轴测量***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。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(参数见表1)。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。 

表1接触扫描探头的主要技术参数 

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，提供一种三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头，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： 

本发明三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头的结构特点是设置一固定圆环，在所述固定圆环的中央设置十字悬浮片，所述十字悬浮片中各悬臂是在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，形成十字悬浮片在固定圆环中的悬浮结构；在所述十字悬浮片朝向筒体内的一侧平面上，处在十字悬浮片的中央位置处设置一中央平面反光镜，处在所述十字悬浮片的至少一个悬臂的臂端部位设置有悬臂平面反光镜；在所述十字悬浮片朝向筒体外的一侧平面上，扫描探针固定安装在所述十字悬浮片的中心，处在扫描探头最前端的测球固定安装在扫描探针的端部。 

本发明三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头的结构特点也在于： 

所述各悬臂簧片与固定圆环相连接的一端均匀分布在固定圆环的圆周上。 

所述各悬臂簧片与所在悬臂之间的夹角为锐角、钝角、直角或为180°角。 

在所述悬臂簧片与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片与固定圆环之间采用螺钉固定连接。 

在所述悬臂簧片与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片与固定圆环之间夹持一球体，形成悬臂簧片与悬臂，以及悬臂簧片与固定圆环之间的点接触连接。 

所述点接触连接是在所述悬臂簧片与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片与固定圆环之间的点接触位置处以粘胶粘接；或是在所述悬臂簧片与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片与固定圆环之间的点接触位置处设置一通孔，以通孔中贯穿的线绳对所述悬臂簧片与悬臂，以及对所述悬臂簧片与固定圆环形成固定连接。 

所述悬臂簧片是以铍青铜为材质。 

本发明通过配合设置迈克尔逊干涉仪和二维角度传感器，使迈克尔逊干涉仪的出射光投射在中央平面反光镜上，二维角度传感器的出射光投射在悬臂平面反射镜上；当测球受力引 起与固定圆环相连接悬臂簧片的变形，导致十字悬浮片发生相应的倾角变化和位移变化。当作用在测球上测力的方向与扫描探针平行时，测力仅仅导致十字悬浮片以及固定在其上面的各平面反射镜发生沿扫描探针方向的位移；当作用在测球上测力的方向与扫描探针垂直时，测力仅仅导致十字悬浮片以及固定在其上面的各平面反射镜发生绕十字悬浮片的中心旋转。由迈克尔逊干涉仪和二维角度传感器测得各平面反射镜的位移和转角，通过换算即可得知扫描探针的位移，从而实现测量。 

与已有技术相比，本发明有益效果体现在： 

1、本发明在固定圆环中设置具有高灵敏和高稳定性的悬浮结构，配合采用高精度的光学传感器，使其可以达到的技术效果是：测量范围：正负20微米；分辨力：1纳米；重复性：小于20纳米；测力小于0.4毫牛/微米。 

2、本发明采用十字对称的十字悬浮片和悬臂簧片，其结构稳定性好，大大降低了轴间耦合干扰，且解耦方便。 

3、本发明通过对悬臂簧片采用铍青铜簧片，可以获得弹性范围大、应力分布均匀、不容易损坏的良好效果。 

4、本发明全部采用光学传感器来进行感测，较之应变式、压阻式和电感式传感器可以获得更高的灵敏度和精度。 

附图说明

图1为以本发明构成的探头总体结构示意图； 

图2为以本发明构成的探头总体结构分解示意图； 

图3为以本发明构成的探头内部结构示意图； 

图4为以本发明构成的探头中用于安装迈克尔逊干涉仪的安装盒结构示意图； 

图5为以本发明构成的探头中用于安装调整二维角度传感器的安装板结构示意图； 

图6a为本发明弹性测头朝向探头筒体内侧结构示意图； 

图6b为本发明弹性测头朝向探头筒体外侧结构示意图； 

图7为以本发明构成的探头中二维角度传感器的原理图； 

图8为以本发明构成的探头中迈克尔逊干涉仪的原理图； 

图9为以本发明构成的探头在X方向上的测量范围； 

图10为以本发明构成的探头在Y方向上的测量范围； 

图11为以本发明构成的探头在Z方向上的测量范围； 

图中标号：1a前段圆筒；1b后段圆筒；2迈克尔逊干涉仪；3a安装盒；3b拱形簧板； 4二维角度传感器、5a安装板；5b板簧；6探测头；7圆筒盖；8固定圆环；9十字悬浮片；10悬臂簧片；11扫描探针；12测球；13a中央平面反射镜、13b悬臂平面反射镜；14发光二极管；15光栅；16偏振分光棱镜；17为1/4波片；18准直透镜；19平面反射镜；20聚焦透镜；21四象限传感器；22激光器；23为第一偏振分光棱镜；24第二波片；25参考镜；26第一波片；27测量镜；28第三波片；29第一非偏振分光棱镜；30第二非偏振分光棱镜；31第三非偏振分光棱镜；32第一光电探测器；33第二光电探测器；34第三光电探测器；35第四光电探测器。 

具体实施方式

本实施例中三维微纳米接触扫描探头的结构设置为： 

参见图1、图2和图3，设置测量单元为：前段圆筒1a和后段圆筒1b相连接构成筒体；在前段圆筒1a内，防回射微型迈克尔逊干涉仪2固定设置在安装盒3a中；在后段圆筒1b中，基于DVD光学读取头的二维角度传感器4固定安装在安装板5a上；在后段圆筒1b的尾部设置一带有外螺纹的圆筒盖7，以圆筒盖7上的外螺纹与纳米三坐标测量机的机架固定连接； 

参见图6b和图6a，设置探测头6为：在前段圆筒1a的前端面上设置一固定圆环8，在固定圆环8的中央设置十字悬浮片9，十字悬浮片9中各悬臂是在臂端连接有悬臂簧片10，各悬臂簧片10的另一端与固定圆环8相连接，形成十字悬浮片9在固定圆环8中的悬浮结构；在十字悬浮片9朝向筒体内的一侧平面上，处在十字悬浮片9的中央位置处设置一中央平面反光镜13a，处在十字悬浮片9的至少一个悬臂的臂端部位设置有悬臂平面反光镜13b；迈克尔逊干涉仪2的出射光投射在中央平面反光镜13a上，二维角度传感器4的出射光投射在悬臂平面反射镜13b上；在十字悬浮片9朝向筒体外的一侧平面上，扫描探针11固定安装在十字悬浮片9的中心，处在扫描探头最前端的测球12固定安装在扫描探针11的端部。采用光学传感器来进行感测，较之应变式、压阻式和电感式传感器可以获得更高的灵敏度和精度。 

本实施例中在十字悬浮片与固定圆环之间采用悬臂簧片连接的结构是基于梁弯曲的原理，并非基于梁的轴向拉伸或压缩的原理，在同样大小的作用力条件下，本实施例中的基于梁弯曲的原理的悬臂簧片连接结构可以获得更大的弹性范围，进而使得弹性测头同时具有大测量范围和高灵敏度的特性，应力分布均匀、不容易损坏。 

本实施例中弹性簧片采用铍青铜材料，弹性良好，由于簧片的工作变形范围远小于簧片本身的最大允许变形范围，因此使弹性测头具有很好的重复性和稳定性。 

如图6b和图6a所示，各悬臂簧片9与固定圆环8相连接的一端均匀分布在固定圆环8的圆周上；各悬臂簧片9与所在悬臂之间的夹角为锐角、钝角、直角或为180°角。 

具体实施中，在悬臂簧片10与悬臂之间，以及在悬臂簧片10与固定圆环8之间可以采用螺钉锁紧进行固定连接，这一形式结构简单、连接牢固。也可以设置为：在悬臂簧片10与悬臂之间，以及在悬臂簧片10与固定圆环8之间夹持一球体，形成悬臂簧片10与悬臂，以及悬臂簧片10与固定圆环8之间的点接触连接。这种点接触连接是设置为：在悬臂簧片10与悬臂之间，以及在悬臂簧片10与固定圆环8之间的点接触位置处以粘胶粘接；或是在悬臂簧片10与悬臂之间，以及在悬臂簧片10与固定圆环8之间的点接触位置处设置一通孔，以通孔中贯穿的线绳在两端以胶粘固定或是采用铆钉固定，对悬臂簧片10与悬臂，以及对悬臂簧片10与固定圆环8形成固定连接。点接触连接可以用于消除探测过程中面接触引起的内应力，并且减小探头的测力。本实施例的结构形式中，由于在安装时不需要给簧片施加预应力，大大降低了该弹性测头的安装难度。 

如图1和图2所示，安装盒3a与安装板5a是由设置在筒体侧壁的紧定螺钉紧钉固定，调整分处在安装盒3a和安装板5a的不同侧面以及不同轴向位置上的各紧定螺钉获得对迈克尔逊干涉仪2和二维角度传感器4的俯仰和偏摆的调整。本实施例中通过这一形式对迈克尔逊干涉仪和二维角度传感器进行二维姿态的调节，可以实现从迈克尔逊干涉仪和二维角度传感器射出射的准直光束与其对应的平面反射镜垂直，确保当测球没有被触碰时所述两个传感器的输出信号为零，结构简单，装调方便，时间稳定性好。 

具体实施中，如图4所示，在安装盒3a的至少一个侧部平行设置一对拱形簧板3b，拱形簧板3b双端支撑在安装盒3a上，拱形簧板3b的支撑端为“之”形板；贯穿筒体侧壁的螺钉钉紧在拱形簧板3b的拱面上；如图5所示，在安装板5a的至少一个侧部平行设置一对板簧5b，板簧5b呈“之”形，一对板簧5b是以一端支撑在安装板5a的一侧边上，板簧5b的另一端以与贯穿筒体侧壁的固定螺钉螺纹连接。 

拱形簧板3b一是定位的作用，即在初装时确定安装盒3a在前端圆筒1a径向的位置；另一是通光作用，拱形中空的部分为二维角度传感器4的准直光束提供出路，若是直接用紧定螺钉顶，紧定螺钉会阻挡二维角度传感器4的准直光束；当安装盒3a的侧面或拱形簧板的拱面因紧定螺钉作用而受力时，拱形簧板3b会在二维方向上发生微小弹性变形，这一微小弹性变形最大变形量约为1mm，从而实现调整迈克尔逊干涉仪2的俯仰和偏摆的目的。 

板簧5b的作用是：将安装板5a和后段圆筒1b连接在一起，对安装板5a和二维角度传感器4起支撑作用，当安装板5a因紧定螺钉作用而受力时板簧5b会在二维方向上发生微小 弹性变形，该微小弹性变形最大变形量约为1mm，从而实现调整二维角度传感器4的俯仰和偏摆的目的。 

本实施例中的二维角度传感器的工作原理如图7所示： 

DVD光学读取头是一个高度集成的产品，价格便宜，精度高。本实施例中的二维角度传感器即是利用了DVD光学读取头，从发光二极管14发出的光经过光栅15后进入到偏振分光棱镜16，经偏振分光棱镜16反射的光束经过1/4波片17和准直透镜18后变成平行光束，平行光束经平面反射镜19反射后依次通过准直透镜18、1/4波片17、偏振分光棱镜16和聚焦透镜20后汇聚在四象限传感器21上。平面反射镜角度的变化对应四象限感测器上光点形状和位置的变化，进而导致四象限输出的电流信号大小的变化，通过电流/电压转换电路将四个象限输出的电流信号转换为电压信号，分别记为V_A、V_B、V_C、V_D。根据式(a)和式(b)，可以将四象限感测器上光点的形状和位置的变化转化成两路电压信号输出，这两路电压信号分别与平面反射镜二维方向的角度对应，并且在一定范围内呈线性关系；而平面反射镜二维方向的角度变化又分别与测球在水平面内两个相互垂直方向的位移对应，从而实现对测球位移的测量。 

X＝K[(V_A+V_B)-(V_C+V_D)]         (a) 

Y＝K [(V_A+V_D)-(V_B+V_C)]        (b) 

式(a)和式(b)中，X和Y分别为测球在水平面内两个相互垂直方向的位移，V_A、V_B、V_C、V_D分别为四象限传感器四个象限输出的四路电流信号转换成的四个电压信号；K是比例系数，可以通过标定的方式获得具体的数值，即用激光干涉仪测出测球的位移值X和Y，同时用数据采集***记录对应的V_A、V_B、V_C、V_D值，然后代入式(a)和式(b)中即可计算出K值。 

本实施例中的所应用的迈克尔逊干涉仪的工作原理如图8所示： 

通常根据Michelson原理设计的干涉仪使用相干长度很长的He-Ne激光，因此体积较大。本实施例中的采用用于小位移测量的小型Michelson干涉仪，使用半导体激光器，量程为1mm，并且具有防止激光回射到激光器造成干扰的功能。如图8所示，从激光器22发出的激光束被第一偏振分光棱镜23分成投射的S光和反射的P光。S光被测量镜27反射，期间两次经过第一波片26后变成了p光；P光被参考镜25反射，期间两次经过第二波片24后变成了s光，则反射回的光线不会射入激光器，而是会合射入第三波片28变成元偏振光后 进入到由第一非偏振分光棱镜29、第二非偏振分光棱镜30和第三非偏振分光棱镜31组成的分光相移模块。进而在第一光电探测器32、第二光电探测器33、第三光电探测器34和第四光电探测器35上形成相位相差90°的弦波信号。四路弦波信号可分别用下式来表示： 

I_PD1＝A[1-cos(2Δω·t)]    (c) 

I_PD2＝A[1+cos(2Δω·t)]    (d) 

I_PD3＝A[1+sin(2Δω·t)]    (e) 

I_PD4＝A[1-sin(2Δω·t)]    (f) 

$\mathrm{\Δ\ω}=4\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\Δl}}{\mathrm{\λ}}---\left(g\right)$

式(c)、式(d)、式(e)、式(f)和式(g)中，I_PD1、I_PD2、I_PD3、I_PD4分别是上述四个光电探测器所感测到的电流信号，经过电流/电压转换电路和数据采集***后可以得到他们的具体数值。Δl是参考光和测量光之间的光程差，是需要根据式(c)、式(d)、式(e)、式(f)和式(g)计算的测量值。λ是激光器的波长，购买激光器时会被告知。A是光电探测器感测到电流的幅值，可以根据已知的I_PD1、I_PD2、I_PD3、I_PD4值求得。Δω是电流信号的初相位值，根据已知的I_PD1、I_PD2、I_PD3、I_PD4值求得，t是时间变量。 

对四路信号进行运算[即(I_PD2-I_PD1)和(I_PD3-I_PD4)]，即可得到两路相位差为90度的正交信号。利用脉冲计数和相位细分计数，可以解算出测量光和参考光之间的光程差，从而实现测量。 

为了测试本实施例中的三维微纳米接触扫描探头的性能，将安装在三坐标测量机上，该三坐标测量机具有大理石机台和机架、三维共平面微动平台、三个PI压电驱动器、三个红外激光干涉仪及运动控制部分组成，测量过程及结论如下： 

一、量程 

探头在X向的量程(对应DVD角度传感器)如图9所示，对应的扫描探针的长度为13mm，从图9中可以看出，探头在正负20微米范围内的线性都比较好。探头在Y向的量程和X向类似，如图10所示。图11是探头在Z向的量程(考虑到在实际测量时，探头只能被被测工件沿Z轴正向去推，而不能沿Z轴负向去拉，所以Z向的量程只有0～20微米的范围)。 

二、测力 

表2是测球被移动20微米的测力数据，探头各方向的测力大小小于0.4毫牛/微米。 

表2 

三、单点多次触碰重复性： 

推动测球移动到一定位置，然后驱动器回退，直到触碰面与测球分离，同时记录探头的读数，如此反复若干次，X向、Y向和Z向的单点重复性数据分别如表3、表4和表5所示： 

表3X向单点重复性数据 

表4Y向单点重复性数据 

表5Z向单点重复性数据 

四、全行程多次测量重复性 

在进行全行程多次测量后可以得到结论：各点的重复性标准差均小于20nm。 

Claims (7)

1.三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头，其特征是设置一固定圆环(8)，在所述固定圆环(8)的中央设置十字悬浮片(9)，所述十字悬浮片(9)中各悬臂是在臂端连接有悬臂簧片(10)，所述各悬臂簧片(10)的另一端与固定圆环(8)相连接，形成十字悬浮片(9)在固定圆环(8)中的悬浮结构；在所述十字悬浮片(9)朝向筒体内的一侧平面上，处在十字悬浮片(9)的中央位置处设置一中央平面反光镜(13a)，处在所述十字悬浮片(9)的至少一个悬臂的臂端部位设置有悬臂平面反光镜(13b)；在所述十字悬浮片(9)朝向筒体外的一侧平面上，扫描探针(11)固定安装在所述十字悬浮片(9)的中心，处在扫描探头最前端的测球(12)固定安装在扫描探针(11)的端部。

2.根据权利要求1所述的三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头，其特征是所述各悬臂簧片(9)与固定圆环(8)相连接的一端均匀分布在固定圆环(8)的圆周上。

3.根据权利要求1所述的三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头，其特征是所述各悬臂簧片(9)与所在悬臂之间的夹角为锐角、钝角、直角或为180°角。

4.根据权利要求1所述的三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头，其特征是在所述悬臂簧片(10)与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片(10)与固定圆环(8)之间采用螺钉固定连接。

5.根据权利要求1所述的三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头，其特征是在所述悬臂簧片(10)与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片(10)与固定圆环(8)之间夹持一球体，形成悬臂簧片(10)与悬臂，以及悬臂簧片(10)与固定圆环(8)之间的点接触连接。

6.根据权利要求5所述三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头，其特征是所述点接触连接是在所述悬臂簧片(10)与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片(10)与固定圆环(8)之间的点接触位置处以粘胶粘接；或是在所述悬臂簧片(10)与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片(10)与固定圆环(8)之间的点接触位置处设置一通孔，以通孔中贯穿的线绳对所述悬臂簧片(10)与悬臂，以及对所述悬臂簧片(10)与固定圆环(8)形成固定连接。

7.根据权利要求1所述的三维微纳米接触扫描探头中的弹性测头，其特征是所述悬臂簧片(10)是以铍青铜为材质。

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