[發(fā)明專利]雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)及其真三維測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410261860.0
• 申請(qǐng)日: 2014-06-12
• 公開（公告）號(hào): CN104019736B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余惠娟;黃強(qiáng)先;袁鈺;趙曉萌;卞亞魁
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B7/28
• 分類號(hào): G01B7/28
• 代理公司: 安徽合肥華信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司34112
• 代理人: 余成俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納米測(cè)頭領(lǐng)域，具體是一種雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)及其真三維測(cè)量方法。

背景技術(shù)

納米測(cè)量技術(shù)是納米科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)學(xué)科之一，超精加工和超微加工進(jìn)入納米技術(shù)的新時(shí)代，對(duì)微型光學(xué)器件、MEMS等微納米結(jié)構(gòu)的真三維測(cè)量要求達(dá)到納米、亞納米量級(jí)，測(cè)量力達(dá)到微牛甚至納牛量級(jí)，但目前商用CMM測(cè)量精度不高，且所用三維測(cè)頭的微探球直徑較大，無(wú)法探測(cè)特征尺寸很小的微型器件。三維觸發(fā)定位技術(shù)作為微納三維測(cè)量技術(shù)的核心，納米量級(jí)的三維觸發(fā)定位分辨率是實(shí)現(xiàn)微器件等真三維納米測(cè)量的基礎(chǔ)。高分辨率對(duì)應(yīng)于高靈敏度，即要求微納米測(cè)頭系統(tǒng)應(yīng)具有較高品質(zhì)因數(shù)，同時(shí)測(cè)頭系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和測(cè)量過(guò)程穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量的必要因素。

鑒于在數(shù)百微米至數(shù)毫米尺度間三維測(cè)量技術(shù)的空白，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些著名研究機(jī)構(gòu)都致力于微納米三維測(cè)量技術(shù)及微納米三維測(cè)頭的開發(fā)，取得了一定進(jìn)展，目前還沒有成熟的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)及其真三維測(cè)量方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)三維測(cè)量存在的問(wèn)題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于：包括有支承架，支承架底部架面連接有兩個(gè)完全相同位置對(duì)稱的轉(zhuǎn)接件，還包括有雙端音叉，所述雙端音叉由兩個(gè)叉端和連接兩個(gè)叉端的叉臂對(duì)構(gòu)成，雙端音叉的兩個(gè)叉端一一對(duì)應(yīng)連接在轉(zhuǎn)接件底面，叉臂對(duì)中兩個(gè)叉臂分別平行于支承架底部架面并沿豎向并行設(shè)置，叉臂對(duì)中位于下方的叉臂正中間底面固定有一體式光纖微探球。

所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于：所述雙端音叉的叉臂對(duì)上設(shè)置有電極，通過(guò)電極激勵(lì)雙端音叉帶動(dòng)光纖微探球諧振。

所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于：光纖微探球基于光纖拉錐技術(shù)和光纖熔融燒球技術(shù)制備而成。

所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于：雙端音叉的振動(dòng)方式為，在電極的激勵(lì)下兩個(gè)叉臂在平面內(nèi)沿寬度方向反相彎曲振動(dòng)。

所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于：雙端音叉由石英晶體制備，切型選擇與振動(dòng)模式及工作頻率相關(guān)，彎曲振動(dòng)模式下XY切型對(duì)應(yīng)頻率范圍1～80KHz，NT切型對(duì)應(yīng)頻率范圍40～100KHz；所述雙端音叉叉臂長(zhǎng)度沿石英晶體y軸方向，寬度沿石英晶體x方向，厚度沿石英晶體z軸方向，即采用(zyw)5°切型切角結(jié)構(gòu)。

所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于：雙端音叉的諧振頻率與其幾何尺寸相關(guān)，即可通過(guò)改變叉臂的長(zhǎng)度、寬度、厚度調(diào)節(jié)雙端音叉的諧振頻率及力頻系數(shù)，所述雙端音叉諧振頻率以及力頻系數(shù)與其幾何尺寸的相關(guān)關(guān)系式分別為：f=m2w2πl2112ρs22′,S=0.0717(l2s22′tw3),]]>其中f為雙端音叉的基頻，S為其力頻系數(shù)，l、w、t分別為兩個(gè)叉臂的長(zhǎng)度、寬度、厚度，m為與邊比有關(guān)的系數(shù)，ρ為石英材料的密度，s′₂₂為石英的彈性柔順常數(shù)。

所述的雙端音叉三維諧振觸發(fā)探頭系統(tǒng)，其特征在于：雙端音叉兩個(gè)叉臂上電極的設(shè)置采用叉臂四周被電極方式，使沿兩個(gè)叉臂寬度方向產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的電場(chǎng)。