[發明專利]接觸或非接觸復合原理納米傳感方法與裝置

有效

• 申請號: 201810907221.5
• 申請日: 2018-08-07
• 公開（公告）號: CN109187640B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 崔俊寧;邊星元;陸葉盛;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;G01N33/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

接觸或非接觸復合原理納米傳感方法與裝置屬于精密傳感與測量技術；本發明針對導體被測物采用量子隧穿原理傳感，首先將被測物和微測球的瞄準間隙調整至隧穿工作區間，然后通過量子隧穿效應的產生將瞄準間隙轉化為傳感信號；針對非導體被測物采用接觸探測原理傳感，微測球接觸被測物后其位移由彈性傳遞機構傳遞至敏感單元并轉化為傳感信號；本發明還提供了一種復合原理納米傳感裝置；本發明在測量導體被測物時有效兼顧了納米分辨力、三維各向同性和非接觸式傳感特性，同時也可針對非導體被測物進行測量，可實現大深寬比微納/微小結構的高分辨力測量。

技術領域

本發明屬于精密傳感與測量技術領域，主要涉及一種接觸或非接觸復合原理納米傳感方法與裝置。

背景技術

隨著當前精密加工制造水平的日益提高，具有大深寬比特征的微納/微小結構在尖端技術領域得到應用，用于此類結構精密測量的傳感方法與傳感測頭隨之成為當前研究熱點。高分辨力與瞄準精度、三維各向同性和無損傷快速測量能力是實現大深寬比結構高精度測量的關鍵要素。然而，將現有的精密測頭及傳感技術方案應用到具有大深寬比特征的結構測量時，很難實現納米級高分辨力、三維各向同性、大深寬比測量能力和無損傷測量特性的有效兼顧和高精度測量。

目前，現有的精密測頭及傳感技術方案根據基本原理可分為三種類型：即微力接觸式測量方案、掃描探針方案和聚焦光探針方案。微力接觸式測量方案很難同時獲得匹配的垂直于測桿的二維平面內和軸向敏感特性，測頭姿態誤差等問題較為突出，很難實現真正三維測量，且由于測力變形與損傷的存在其動態特性差，無法實現無損傷快速測量；掃描探針與聚焦光探針一般只具有一維敏感特性，不具有實現橫向高分辨的潛力，配合運動掃描最多只能實現二維半測量，不具有真正三維測量能力。因此，針對大深寬比結構的測量，亟需提出一種兼具納米級高分辨力、真正三維、大深寬比測量能力和非接觸測量特征的傳感技術方案。

針對該問題，哈爾濱工業大學提出一種基于球面散射電場原理的傳感測量方法(1.Ultraprecision 3D probing system based on spherical capacitiveplate.Sensors and Actuators A:Physical,2010；2.基于球形電容極板的超精密非接觸式三維瞄準與測量傳感器，中國專利號：ZL200910072143.2)。該傳感技術方案的技術特點為：(1)首次將球面散射電場原理應用于金屬測球使其作為球形電容極板實現了非接觸式測量，使該測頭具有了無損傷快速測量的能力；(2)該技術方案的傳感特性與金屬測球的直徑關系密切，隨著金屬測球直徑減小其傳感分辨力隨之變差；目前已工程實現的最小測球直徑為500μm，目前尚無法測量微納尺度的大深寬比結構；(3)該方案無法測量非導體被測件。

重慶理工大學提出一種基于隧道效應的納米位移傳感器方案(一種基于隧道效應的接觸式納米位移傳感器，中國專利號：ZL201010101154.1)。該方案的技術特點為：(1)該方案是一種微力接觸式測量方案，測量過程中測頭接觸被測物體，通過導桿將待測面表面的垂向高度變化傳遞至探針與石墨塊的間距上，并利用一維隧道效應原理將探針與石墨塊的間距作為敏感單元進行傳感，可以實現垂向納米級的高分辨力；(2)由于該傳感技術方案采用的是探針，只具備垂向高分辨力測量能力，基本不具備水平向測量能力，即只具有垂向一維測量能力而不具有三維測量能力，故無法測量大深寬比微小結構尺寸參數和水平向幾何參數；(3)由于測頭與被測件需要接觸才能使探針和石墨塊間發生隧道效應，存在劃傷待測面和測頭的風險，則該接觸式傳感技術方案動態特性較差，很難實現快速無損傷測量；(4)與所有接觸式測頭一樣，測桿長度增大其測量力變形會不可避免地引入誤差導致精度下降。