李瑞君，李心愿，向 萌，程真英，范光照

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接觸觸發(fā)式三維微納米探頭

李瑞君，李心愿，向 萌，程真英，范光照

( 合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009 )

為解決微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件三維尺寸高精度測(cè)量的難題，研制了一種適用于微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的新型高精度三維接觸觸發(fā)式探頭。該探頭只用了一個(gè)基于四象限感測(cè)器的二維角度傳感器即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)球三維運(yùn)動(dòng)的高精度感測(cè)。介紹了探頭的結(jié)構(gòu)和原理，建立了探頭的靈敏度模型和剛度模型，用最優(yōu)化方法得出了探頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解。對(duì)探頭的剛度、感測(cè)范圍、靈敏度、穩(wěn)定性及觸發(fā)重復(fù)性等性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：探頭的剛度在三軸方向基本相同, 約為1 mN/μm；允許觸碰范圍超過(guò)12 μm；靈敏度大于0.5 mV/nm；在恒溫環(huán)境(20±0.025)℃下，1.3 h內(nèi)的位移漂移量約為20 nm；觸發(fā)測(cè)量重復(fù)性小于40 nm(=2)。該探頭具有精度高、測(cè)力小、體積小、成本低、裝調(diào)方便等優(yōu)點(diǎn)，可被用于微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。

位移測(cè)量?jī)x表；微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；接觸觸發(fā)式探頭；彈性機(jī)構(gòu)；測(cè)微力計(jì)

0 引 言

微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)[1-2]技術(shù)蓬勃發(fā)展，各種微型器件已經(jīng)在汽車、通訊、航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。但是MEMS器件的高精度檢測(cè)，特別是具有高深寬比特征器件的檢測(cè)，仍然未能很好的解決。因?yàn)閽呙杷淼里@微鏡、原子力顯微鏡等常見(jiàn)高精度測(cè)量設(shè)備和各類光學(xué)非接觸式探頭難以測(cè)量帶有斜面、臺(tái)階、倒角、深孔等高深寬比特征的器件，所以微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(Micro/Nano-CMM)[3-5]及其接觸式探頭成了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。接觸式探頭可分為接觸掃描式探頭和接觸觸發(fā)式探頭兩種，前者可以給出測(cè)球在三維方向上的位移值，后者在測(cè)球與被測(cè)工件接觸時(shí)會(huì)給出觸發(fā)/開關(guān)信號(hào)，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外許多著名大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行微納米接觸式探頭的研究。主要包括：南臺(tái)灣科技大學(xué)基于兩個(gè)DVD光學(xué)讀取頭的探頭[6]，觸發(fā)重復(fù)性為46 nm；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的光纖探頭[7-8]，實(shí)物測(cè)量重復(fù)性為20 nm；瑞士機(jī)床與制造研究所基于斐索干涉儀的探頭[9]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，理論分辨力40 nm；日本大阪大學(xué)基于激光光鑷和Mirau干涉儀的探頭[10]，不確定度為335 nm；德國(guó)計(jì)量院(PTB)基于2個(gè)CCD的光纖探頭[11]，測(cè)量不確定度為100 nm；美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局(NIST)與北卡大學(xué)夏洛特分校(UNCC)共同研發(fā)的光纖探頭[12]，測(cè)量不確定度為70 nm；瑞士Mecartex公司和METAS(瑞士聯(lián)邦計(jì)量及認(rèn)證局)合作研制的基于3個(gè)電感傳感式的接觸掃描探頭[13-14]，測(cè)量不確定度為30 nm，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，裝調(diào)難度大；另外還有基于4個(gè)壓阻式傳感器的探頭[15-16]，需要采用MEMS微細(xì)加工技術(shù)制造，可達(dá)10 nm的分辨力。現(xiàn)有的接觸式探頭均達(dá)到了納米級(jí)的測(cè)量分辨力，但都需要采用兩個(gè)以上的傳感器進(jìn)行感測(cè)，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高、裝調(diào)困難等不足。

為此，作者研制了一種只需要一個(gè)傳感器的三維接觸觸發(fā)式微納米測(cè)量探頭，與現(xiàn)有探頭相比，該探頭具有重復(fù)測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小、制造和安裝精度要求低等特點(diǎn)。

1 探頭系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

本探頭包括彈性機(jī)構(gòu)[17]、基于四象限感測(cè)器(Quadrant Photo Diode，QPD)的二維角度傳感器及探頭筒體三部分組成，如圖1。彈性機(jī)構(gòu)由探針、懸浮片、中央平面反射鏡、彈性元件、固定圓環(huán)組成，其中探針購(gòu)自雷尼紹公司，紅寶石球徑為1 mm，探針長(zhǎng)度為10 mm，測(cè)球球度為130 nm。彈性機(jī)構(gòu)可將測(cè)球在水平和豎直方向上的位移轉(zhuǎn)換成平面反射鏡的轉(zhuǎn)角和豎直位移。

二維角度傳感器是由激光器及其調(diào)整裝置、中央平面反射鏡、聚焦透鏡、QPD五個(gè)部分組成。調(diào)整裝置用來(lái)調(diào)節(jié)激光器出射光束的二維角度以確保可以投射到QPD的正中心。傳感器負(fù)責(zé)感測(cè)中央平面反射鏡的角度和豎直位移變化，是探頭的重要組成部分，對(duì)探頭的測(cè)力、量程、靈敏度、穩(wěn)定性、重復(fù)性等指標(biāo)有直接影響。

2 探頭的測(cè)量原理及靈敏度模型

2.1 感測(cè)原理

QPD主要由分布在四個(gè)象限的四個(gè)面積相同、光電特性相同的光電池組成。如圖2所示，其主要材料為硅，中央間隔約為2 μm至12 μm。當(dāng)光點(diǎn)投射在QPD上時(shí)，隨著光點(diǎn)的位置不同，QPD各象限接收到的光強(qiáng)不同，信號(hào)輸出也將不同。利用光電轉(zhuǎn)換電路對(duì)QPD的輸出信號(hào)做處理[18]：

即可建立光點(diǎn)位置與兩路信號(hào)之間的關(guān)系。豎直方向感測(cè)原理如圖3所示。在探針沒(méi)有受到觸碰時(shí)，反射光束經(jīng)過(guò)聚焦透鏡，投射到QPD的中心處，由式(1)和(2)可知對(duì)應(yīng)輸出的電壓信號(hào)為零。當(dāng)探針受到豎直方向觸碰產(chǎn)生位移v時(shí)，懸浮片和中央反射鏡也產(chǎn)生同樣的位移，則投射到QPD上光斑的位置會(huì)偏移，對(duì)應(yīng)的兩路輸出電壓信號(hào)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

水平方向感測(cè)原理同豎直方向相似，如圖4所示。當(dāng)測(cè)球在水平方向受到觸碰而產(chǎn)生位移h時(shí)，探針偏轉(zhuǎn)角，彈性簧片發(fā)生變形，因探針和懸浮片被看作一個(gè)剛體，故中央反射鏡也偏轉(zhuǎn)角，由反射原理可知反射光線偏轉(zhuǎn)2角。即當(dāng)中央反射鏡有角度變化時(shí)，聚焦在QPD上的光點(diǎn)的位置就會(huì)有相應(yīng)的變化，從而能感測(cè)水平方向偏移的角度。輸出的兩路電壓信號(hào)分別與平面反射鏡的二維角度呈線性關(guān)系。

2.2 靈敏度模型

豎直方向觸碰測(cè)球，使其產(chǎn)生v，對(duì)應(yīng)輸出的信號(hào)電壓v和觸發(fā)位移v的比值即是探頭豎直方向的靈敏度[19]。如圖3所示，由相似三角形Δ和Δ可知：。

所以探頭在豎直方向的靈敏度模型為

其中：D=，=，=，為比例常數(shù)。

同理：水平方向觸碰測(cè)球產(chǎn)生位移h，對(duì)應(yīng)輸出的信號(hào)電壓h和觸發(fā)位移h的比值即是探頭水平方向的靈敏度。如圖4所示：由相似三角形Δ和Δ可知：，且，所以探頭在水平方向上的靈敏度模型為

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 剛度模型

恰當(dāng)?shù)膭偠葘?duì)探頭來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，剛度太小無(wú)法保證測(cè)量精度，剛度太大會(huì)損傷被測(cè)工件。按照赫茲彈性理論[20]可以算出0.5 mm紅寶石測(cè)球觸碰45號(hào)鋼時(shí)的最大允許觸測(cè)力為2.8 mN。安全起見(jiàn)，常將觸發(fā)探頭剛度限制在1 mN/μm左右。不僅如此，還要求探頭在水平方向和豎直方向具有相同的剛度，以獲得良好的使用性能。

已知探頭采用的基于V形簧片彈性機(jī)構(gòu)，在豎直方向和水平方向上的剛度模型[21]分別為

3.2 優(yōu)化結(jié)果

在最優(yōu)探針長(zhǎng)度=10 mm的基礎(chǔ)上，再根據(jù)探頭在水平和豎直方向上靈敏度相等()和探頭最大測(cè)量范圍5mm的約束條件，可以獲得其余最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)：=9.8 mm，=4.9 mm，=6 mm，=53°。

4 實(shí) 驗(yàn)

為了測(cè)試三維微納米接觸觸發(fā)式探頭的性能，搭建了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置。探頭被安裝在一個(gè)升降臺(tái)上，德國(guó)PI公司生產(chǎn)的三維納米微動(dòng)平臺(tái)PI-561.3CD(三軸量程均為100 μm，三軸重復(fù)性均為2 nm)作為位移基準(zhǔn)；二維微動(dòng)平臺(tái)用來(lái)實(shí)現(xiàn)探頭位置的粗調(diào)；用0級(jí)量塊工作面去觸碰測(cè)球。

4.1 剛度測(cè)試

考慮到探頭的設(shè)計(jì)剛度很小，一般市售測(cè)力計(jì)達(dá)不到精度要求。特設(shè)計(jì)了基于邁克爾遜干涉儀的測(cè)微力計(jì)，如圖6所示。以L形銅條作為敏感元件，以微型邁克爾遜干涉儀作為感測(cè)元件，邁克爾遜干涉儀的參考光和測(cè)量光同時(shí)打在一塊平面反射鏡上。在力的作用下，平面反射鏡會(huì)隨L形銅條產(chǎn)生微小的偏角，此偏角可由邁克爾遜干涉儀測(cè)出。平面反射鏡偏轉(zhuǎn)角與被測(cè)力之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。分別用1 mg、2 mg、5 mg、10 mg、20 mg等E1級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)砝碼(最大相對(duì)誤差為千分之二)對(duì)測(cè)力計(jì)進(jìn)行了標(biāo)定。測(cè)力時(shí)，測(cè)微力計(jì)被固定在圖5所示的二維微動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)調(diào)整升降臺(tái)可以改變測(cè)球與銅條間的位置。移動(dòng)納米微動(dòng)臺(tái)，并同時(shí)記錄納米微動(dòng)臺(tái)的位移量和測(cè)力豎直變化量，用增量的方式計(jì)算探頭的剛度。測(cè)得探頭水平方向的測(cè)力梯度為0.99 mN/μm，豎直方向的測(cè)力梯度為1.01 mN/μm。水平和豎直方向的剛度近似相等。

4.2 感測(cè)范圍和靈敏度測(cè)試

PI工作臺(tái)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向形成一個(gè)坐標(biāo)系，在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以先用二維微動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)量塊，直到測(cè)球與量塊工作面的距離小于100 μm，再用PI臺(tái)的微動(dòng)功能觸碰測(cè)球，同時(shí)記錄PI臺(tái)的位移和探頭的兩路輸出信號(hào)。測(cè)量結(jié)果如圖7所示。水平方向和豎直方向的允許感測(cè)范圍均超過(guò)12 μm，說(shuō)明探頭具有較大的安全裕度。水平方向和豎直方向的靈敏度均大于0.5 mV/nm，且水平方向略好于豎直方向。

4.3 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試探頭的穩(wěn)定性，將探頭系統(tǒng)固定在一個(gè)恒溫箱中，待恒溫箱中的溫度穩(wěn)定在(20±0.025)℃后記錄探頭信號(hào)，結(jié)果如圖8所示，恒溫環(huán)境下探頭1.3 h內(nèi)的漂移量約為20 nm。

4.4 觸發(fā)重復(fù)性測(cè)試

將標(biāo)準(zhǔn)量塊固定在圖5所示的二維平臺(tái)上，通過(guò)移動(dòng)PI納米定位平臺(tái)用量塊的工作面去觸碰測(cè)球。以測(cè)球移動(dòng)1 μm為觸發(fā)閾值，在三個(gè)方向分別做8次，觸發(fā)重復(fù)性數(shù)據(jù)如表2所示。三軸方向的最大重復(fù)觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)差在20 nm以內(nèi)，故探頭的觸發(fā)重復(fù)性在40 nm(=2)以內(nèi)。其中是與95%置信概率對(duì)應(yīng)的置信系數(shù)。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)制作了一款適合于微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的接觸觸發(fā)式探頭，該探頭具有精度高、測(cè)力小、體積小、成本低、裝調(diào)方便等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：探頭在三維方向上具有相同的剛度和靈敏度，剛度約為1 mN，靈敏度均大于0.50 mV/nm；觸發(fā)的容許范圍是12 μm；探頭在1.3 h內(nèi)的漂移量小于20 nm，環(huán)境溫度(20±0.025) ℃；觸發(fā)重復(fù)性小于40 nm，探頭結(jié)構(gòu)橫向尺寸小于40 mm。

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A Touch Trigger 3D Probe for Micro/Nano Measurement

LI Ruijun，LI Xinyuan，XIANG Meng，CHENG Zhenying，F(xiàn)AN Guangzhao

( School of Instrument Science and Opto-electric Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China )

To meet the requirement of high precision 3D measurement for MEMS devices, a new high precision touch trigger probe for micro-Nano/CMM is developed. Only one Quadrant Photo Diode (QPD) based two-dimensional angle sensor was used in this probe, which can detect the ball tip’s 3D motions of the probe precisely at the same time. The probe was introduced and analyzed. The sensitivity and stiffness models of the probe were achieved, and the optimal structural parameters of the probe were obtained. Several experiments have been conducted to test the stiffness, measurement range, sensitivity and repeatability of the probe. The experimental results demonstrate that the probe has 1 mN/μm uniform stiffness in 3D, the permitted measurement range is more than 12 μm and the sensitivity is about 0.5 mV/nm in 3D. The drift is about 20 nm in 1.3 hours when the environment temperature is controlled to (20±0.025)℃, and the repeatability is less than 40 nm (=2). The probe has the advantages of high precision, low stiffness, small size, low cost and good assembly which can be applied to Micro/Nano CMM.

displacement measuring instruments; micro/nano CMM; touch-trigger probe; elastic mechanism; micro force measurement apparatus

1003-501X(2016)08-0001-06

TH822

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.08.001

2015-11-02；

2016-03-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51275148，51475133)；安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助(KJ2015A410)

李瑞君(1976-)，男(漢族)，內(nèi)蒙古和林格爾人。博士，副教授，主要研究方向?yàn)槲⒓{米測(cè)量、光電檢測(cè)等技術(shù)。

E-mail: rj-li@hfut.edu.cn。