[發(fā)明專利]一種三維微納米接觸觸發(fā)式探頭

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410834005.4
• 申請日: 2014-12-26
• 公開（公告）號: CN104457613A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設計）人: 李瑞君;向萌;范光照;馮建;何亞雄
• 申請（專利權）人: 合肥工業(yè)大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B11/00
• 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

本發(fā)明涉及微納米測試領域，更具體的說是一種應用在納米三坐標測量機上的接觸觸發(fā)式三維探頭，可以感測物體表面的三維形貌。

背景技術

近年來，微電子技術的快速發(fā)展引發(fā)了一場微小型化的革命，尤其是微機電系統(tǒng)MEMS器件的加工技術的發(fā)展，出現(xiàn)了各種微納米級的微小器件，如微齒輪、微型孔，微型噴嘴，微型臺階等MEMS產(chǎn)品。這些微器件的加工精度處于微納米量級，要對這些微器件進行精密測量，就要發(fā)展特殊的高精度檢測方法與技術手段。為此各國相關機構都致力于研究具有納米級精度的三坐標測量機。

三坐標測量機的探頭部分是三坐標測量機的重要核心部件之一，探頭的測量精度直接決定三坐標測量機的總體測量精度。探頭有接觸式和非接觸式之分，接觸式探頭可以用來測量非接觸式探頭所不能測量的具有斜面、臺階、深孔、圓弧等特征的工件。

目前世界上已經(jīng)公布的接觸式探頭主要包括：美國國家標準與技術研究院的原子力探頭、英國國家物理實驗室的電容式探頭、東京大學的光纖探頭、臺灣大學的DVD探頭、天津大學的微觸覺探頭、合肥工業(yè)大學的共焦式探頭。現(xiàn)有探頭均需要集成2-4個高精度傳感器，而且存在結構復雜、裝調難度大、成本高的問題。如荷蘭Eindhoven大學開發(fā)的基于應變計的三維微接觸式傳感測頭，是將應變計、電路以及彈性元件一起通過沉淀、制版、刻蝕等工藝后制作成為一個整體，測頭各個方向的力和位移的變化通過裝在敏感粱上的應變計進行檢測，其體積較小，但應變片的檢測靈敏度和精度都比較低，并且其測頭采用三角形拓撲結構，解耦復雜。瑞士聯(lián)邦計量檢定局METAS開發(fā)了一種電磁式微接觸式測頭，測頭具有三個方向的自由度，每個方向的檢測都采用電感來實現(xiàn)，三個方向的測力相同，結構主要由鋁制成，電磁式測頭的測量范圍較大，橫向撿測靈敏度較高且接觸力較小，但其結構非常復雜、裝調困難，且采用三角形懸掛結構，解耦非常麻煩。

發(fā)明內容

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種三維微納米接觸觸發(fā)式探頭，以期獲得高精度、高靈敏度和小測力的探測效果，同時具有高穩(wěn)定性、低成本且裝調方便的優(yōu)勢。

本發(fā)明為解決技術問題采用如下技術方案：

本發(fā)明三維微納米接觸觸發(fā)式探頭的結構特點是其包括：

一測頭單元，是在一固定圓環(huán)的中央設置十字懸浮片，在所述十字懸浮片的各懸臂的臂端連接有懸臂簧片，所述各懸臂簧片的另一端與固定圓環(huán)相連接，形成十字懸浮片在固定圓環(huán)中的懸浮結構；在所述十字懸浮片一側的中央位置處設置測量中央平面反射鏡，另一側安裝帶有紅寶石測球的探針；

一測量單元，設置所述測量單元的光路結構為：由激光器射出的準直光投射在所述測量中央平面反射鏡上，并經(jīng)所述測量中央平面反射鏡反射后形成反射光，所述反射光經(jīng)過透鏡聚焦在四象限探測器上，以所述四象限探測器測量中央平面反射鏡的位移和二維角度。

本發(fā)明三維微納米接觸觸發(fā)式探頭的結構特點也在于：設置左右偏擺角和前后俯仰角度可以調節(jié)的激光出射角度調整機構，所述激光器固定設置在激光出射角度調整機構中，通過調節(jié)所述激光出射角度調整機構，以使被測量中央平面反射鏡反射后的激光能被透鏡聚焦在所述四象限探測器的探測中心。

本發(fā)明三維微納米接觸觸發(fā)式探頭的結構特點也在于：設置一圓筒體，在所述圓筒體中分布各中空腔，所述各中空腔包括第一腔和第二腔；所述第一腔用于固定設置透鏡和四象限控測器；所述第二空腔用于固定激光出射角度調整機構，所述測頭單元以其固定圓環(huán)設置在所述圓筒體的底部。

本發(fā)明三維微納米接觸觸發(fā)式探頭的結構特點也在于：所述激光出射角度調整機構包括用于套裝激光器的矩形套筒，所述矩形套筒的外側壁設置為楔形面，以矩形套筒中相鄰的兩個外側壁作為限位面，限位面以外的兩個外側壁為自由面，在所述限位面與所述第二腔的腔壁之間設置有楔形塊，所述楔形塊由非導磁材料制成，通過調整所述楔形塊與所述限位面之間的相對高度實現(xiàn)所述矩形套筒的傾斜角度的調整。

本發(fā)明三維微納米接觸觸發(fā)式探頭的結構特點也在于：在所述楔形塊上設置一通孔，并有凸輪置于所述通孔中，與凸輪固聯(lián)的凸輪軸是作為驅動軸，通過轉動凸輪軸帶動凸輪在通孔中的轉動驅動楔形塊沿所述矩形套筒的外側壁上的楔形面移動。

本發(fā)明三維微納米接觸觸發(fā)式探頭的結構特點也在于：在所述楔形塊的通孔中設置有磁鐵，楔形塊為非導磁材料制成，矩形套筒、圓筒體以及凸輪均為導磁材料制成，利用所述磁鐵使所述矩形套筒與圓筒體獲得定位。

與已有技術相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：