[實用新型]基于石英音叉的三維諧振觸發測頭

有效

• 申請號: 201120392059.1
• 申請日: 2011-10-14
• 公開（公告）號: CN202274866U
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 黃強先;王毛翠;張昔峰;黃帥;趙劍;王廣紅
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01B17/06
• 分類號: G01B17/06
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

技術領域

本實用新型涉及一種可以應用在各種微型機械和MEMS器件三維形貌測量領域中的三維諧振觸發測頭。

背景技術

近年來，微細加工技術快速發展使得產品的導向趨于微型化，出現各種微型機械和MEMS器件。這些微型機械的幾何特征尺寸在數十微米至數毫米之間、尺寸精度在數十納米至數百納米。受限于測球尺寸和測頭系統的性能，傳統三坐標測量機無法滿足這些器件的精密測量要求，雖然AFM和STM在納米尺寸上可以用來進行微器件、微結構的表面形貌檢測，但是測量范圍受到很大的限制，因此發展體積小、精度高的微納米級三坐標測量機技術成為當務之急。

測頭是測量機達到高精度的關鍵之一，也是坐標測量機的核心。目前，微納米三坐標測量機(Micro-nano?Coordinating?Measuring?Machine，簡稱微納米CMM)測頭一般分為接觸式和非接觸式兩類。

接觸式測頭是測頭與被測工件直接接觸，采集輪廓點，然后進行數據處理，進而得到被測件三維形貌信息。接觸式測頭的優點是可靠性好、精度高，可實現三維微位移測量，但其測頭測端與被測表面接觸時產生的測力會引起變形或損傷，尤其不能測量軟質表面。隨著測頭測桿越來越細、測球越來越小，測球與試樣表面原子間的各種作用力對測頭的影響越來越嚴重。同時，接觸式測頭的動態相應大大降低。

非接觸式測頭主要指光學非接觸式測頭，如激光三角法測頭，是根據光學原理，利用光束(通常為激光束)從被測物表反射到接收器中來獲取表面形貌數據。非接觸式測頭與被測件無接觸，沒有測量力和摩擦力，測量速度和采樣頻率高，可用于測量柔軟材料。但是由于受物表特性如顏色、光度、粗糙度等的影響較大，目前仍不能達到接觸式測頭的精度。

實用新型內容

本實用新型是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提出一種基于石英音叉的三維諧振觸發測頭，利用石英音叉所具有的高諧振頻率、高品質因數和自身具有的壓電傳感器，與一體式微測桿測球相結合，構成輕觸模式三維諧振觸法測頭，其與三維工作臺結合，用于實現對微型機械和MEMS器件等各種復雜形體的高精度、低破壞性三維觸發定位和測量。

本實用新型解決技術問題采用如下技術方案：

本實用新型基于石英音叉的三維諧振觸發測頭，其結構特點是：采用石英音叉作為實現三維諧振觸發定位的微力傳感器，在所述石英音叉的一個音叉臂上固定有壓電驅動器，在另一個音叉臂上固定有壓電傳感器；設置所述石英音叉在Z方向上的振動方向與試樣表面垂直，在X、Y方向上的振動方向與試樣表面平行，在靠近試樣所在一側的音叉臂上，固定設置一體式微測桿測球，以鎖相環路輸出的正弦交流信號施加于所述壓電驅動器作為勵振信號，通過壓電傳感器檢測音叉諧振信號。

本實用新型基于石英音叉的三維諧振觸發測頭的三維諧振觸發定位方法是呈水平放置試樣，以鎖相環路輸出的正弦交流信號施加于壓電驅動器作為勵振信號，通過壓電傳感器檢測音叉諧振信號并輸出；所述三維諧振觸發測頭在Z方向工作于輕敲模式，石英音叉的振動方向與試樣垂直；在X、Y方向上工作于摩擦模式，石英音叉的振動方向與試樣平行；所述三維諧振觸發測頭保持不動，以試樣在水平面內的平移完成三維諧振觸發測頭在試樣的表面的三維觸發定位，或試樣保持不動，以三維諧振觸發測頭在水平面內的平移完成三維諧振觸發測頭在試樣的表面的三維觸發定位。

本實用新型利用石英音叉本身的逆壓電特性，驅動微測桿測球一起諧振，同時通過諧振電路將其諧振信號檢測出來，再通過鎖相環路和驅動電路，跟蹤并鎖定測頭的諧振頻率。與已有技術相比，本實用新型有益效果體現在：

1、本實用新型由于采用一體式微測桿測球做探頭、采用石英音叉做傳感器構成三維測頭，可實現對各種微型機械和MEMS器件等復雜形體的精密三維形貌測量。

2、本實用新型三維諧振觸發測頭工作于諧振狀態，一體式微測桿測球與試樣的接觸時間短，測量力小，可以達到nN級，對試樣表面的損傷小；

3、本實用新型經實驗驗證，石英音叉與微測桿測球組合后，品質因數仍然較高，可以保證在垂直方向上納米/亞納米的空間分辨率；

4、本實用新型通過對三維諧振觸發測頭和系統的測試結果分析，X方向上的系統垂直分辨率約為2.7nm；Y方向上系統垂直分辨率約為1.6nm；Z方向上系統的垂直分辨率約為0.4nm。

附圖說明

圖1a為本實用新型三維諧振測頭在Z向上示意圖；

圖1b為本實用新型三維諧振測頭在X、Y向上示意圖；

圖2a為本實用新型測頭在石英音叉外殼未去掉時的幅頻圖；