CN102506701A - 基于石英音叉的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法 - Google Patents

基于石英音叉的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法 Download PDF

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本发明公开了一种基于石英音叉的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法，其特征是：采用石英音叉作为微力传感器，石英音叉的一个音叉臂上固定压电驱动器，另一个音叉臂上固定压电传感器；石英音叉在Z方向上的振动方向与试样表面垂直，在X、Y方向上的振动方向与试样表面平行，在靠近试样所在一侧的音叉臂上，固定设置一体式微测杆测球，以锁相环路输出的正弦交流信号施加于压电驱动器作为励振信号，通过压电传感器检测音叉谐振信号。当微小的三维外力导致测头的谐振频率发生变化时，谐振石英音叉测头的谐振频率随之发生变化，通过检测石英音叉的谐振频率的变化，实现三维谐振触发测头的三维谐振触发定位。

Description

基于石英音叉的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法
技术领域
本发明涉及一种可以应用在各种微型机械和MEMS器件三维形貌测量领域中的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法。
背景技术
近年来，微细加工技术快速发展使得产品的导向趋于微型化，出现各种微型机械和MEMS器件。这些微型机械的几何特征尺寸在数十微米至数毫米之间、尺寸精度在数十纳米至数百纳米。受限于测球尺寸和测头系统的性能，传统三坐标测量机无法满足这些器件的精密测量要求，虽然AFM和STM在纳米尺寸上可以用来进行微器件、微结构的表面形貌检测，但是测量范围受到很大的限制，因此发展体积小、精度高的微纳米级三坐标测量机技术成为当务之急。
测头是测量机达到高精度的关键之一，也是坐标测量机的核心。目前，微纳米三坐标测量机(Micro-nano Coordinating Measuring Machine，简称微纳米CMM)测头一般分为接触式和非接触式两类。
接触式测头是测头与被测工件直接接触，采集轮廓点，然后进行数据处理，进而得到被测件三维形貌信息。接触式测头的优点是可靠性好、精度高，可实现三维微位移测量，但其测头测端与被测表面接触时产生的测力会引起变形或损伤，尤其不能测量软质表面。随着测头测杆越来越细、测球越来越小，测球与试样表面原子间的各种作用力对测头的影响越来越严重。同时，接触式测头的动态相应大大降低。
非接触式测头主要指光学非接触式测头，如激光三角法测头，是根据光学原理，利用光束(通常为激光束)从被测物表反射到接收器中来获取表面形貌数据。非接触式测头与被测件无接触，没有测量力和摩擦力，测量速度和采样频率高，可用于测量柔软材料。但是由于受物表特性如颜色、光度、粗糙度等的影响较大，目前仍不能达到接触式测头的精度。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提出一种基于石英音叉的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法，利用石英音叉所具有的高谐振频率、高品质因数和自身具有的压电传感器，与一体式微测杆测球相结合，构成轻触模式三维谐振触法测头，其与三维工作台结合，用于实现对微型机械和MEMS器件等各种复杂形体的高精度、低破坏性三维触发定位和测量。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于石英音叉的三维谐振触发测头，其结构特点是：采用石英音叉作为实现三维谐振触发定位的微力传感器，在所述石英音叉的一个音叉臂上固定有压电驱动器，在另一个音叉臂上固定有压电传感器；设置所述石英音叉在Z方向上的振动方向与试样表面垂直，在X、Y方向上的振动方向与试样表面平行，在靠近试样所在一侧的音叉臂上，固定设置一体式微测杆测球，以锁相环路输出的正弦交流信号施加于所述压电驱动器作为励振信号，通过压电传感器检测音叉谐振信号。
本发明基于石英音叉的三维谐振触发测头的三维谐振触发定位方法的特点是呈水平放置试样，以锁相环路输出的正弦交流信号施加于压电驱动器作为励振信号，通过压电传感器检测音叉谐振信号并输出；所述三维谐振触发测头在Z方向工作于轻敲模式，石英音叉的振动方向与试样垂直；在X、Y方向上工作于摩擦模式，石英音叉的振动方向与试样平行；所述三维谐振触发测头保持不动，以试样在水平面内的平移完成三维谐振触发测头在试样的表面的三维触发定位，或试样保持不动，以三维谐振触发测头在水平面内的平移完成三维谐振触发测头在试样的表面的三维触发定位。
本发明利用石英音叉本身的逆压电特性，驱动微测杆测球一起谐振，同时通过谐振电路将其谐振信号检测出来，再通过锁相环路和驱动电路，跟踪并锁定测头的谐振频率。与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明由于采用一体式微测杆测球做探头、采用石英音叉做传感器构成三维测头，可实现对各种微型机械和MEMS器件等复杂形体的精密三维形貌测量。
2、本发明三维谐振触发测头工作于谐振状态，一体式微测杆测球与试样的接触时间短，测量力小，可以达到nN级，对试样表面的损伤小；
3、本发明经实验验证，石英音叉与微测杆测球组合后，品质因数仍然较高，可以保证在垂直方向上纳米/亚纳米的空间分辨率；
4、本发明通过对三维谐振触发测头和系统的测试结果分析，X方向上的系统垂直分辨率约为2.7nm；Y方向上系统垂直分辨率约为1.6nm；Z方向上系统的垂直分辨率约为0.4nm。
附图说明
图1a为本发明三维谐振测头在Z向上示意图；
图1b为本发明三维谐振测头在X、Y向上示意图；
图2a为本发明测头在石英音叉外壳未去掉时的幅频图；
图2b为本发明测头在音叉臂与微测杆测球组合后的幅频图；
图3a为本发明中Z方向石英音叉自由振动示意图；
图3b为本发明中Z方向石英音叉自由振动波形图；
图4a为本发明中Z方向微测杆测球轻触试样时石英音叉振动示意图；
图4b为本发明中Z方向微测杆测球轻触试样时石英音叉振动波形图；
图5a为本发明中X、Y方向石英音叉在X、Y向自由振动示意图；
图5b为本发明中X、Y方向石英音叉自由振动波形图；
图6a为本发明中X、Y方向微测杆测球摩擦试样时石英音叉示意图；
图6b为本发明中X、Y方向微测杆测球轻触试样时石英音叉振动波形图；
图7a为本发明中X方向力曲线实验结果；
图7b为本发明中Y方向力曲线实验结果；
图7c为本发明中Z方向力曲线实验结果；
图中标号：1石英音叉，2压电驱动器，3压电传感器，4正弦交流信号，5音叉谐振信号，6试样，7一体式微测杆测球。
具体实施方式
参见图1a、图1b，本实施例中试样6呈水平放置，采用石英音叉1作为三维谐振触发定位的微力传感器，在石英音叉1的一个音叉臂上固定设置压电驱动器2，在另一个音叉臂上固定设置压电传感器3；在靠近试样6所在一侧的音叉臂上，固定设置垂直指向试样表面的一体式微测杆测球7，以微测杆测球7在试样6的表面形成轻敲模式或摩擦模式，以锁相环路实现三维谐振触发测头的励振与频率跟踪，结合三维纳米测量台和PID控制最终实现三维谐振触法定位。
具体实施中，石英音叉1是以CFS308的石英晶振去掉外壳得到，Z方向上石英音叉工作于轻敲模式(图1a所示)，X、Y方向上石英音叉工作于摩擦模式(图1b所示)，并与微测杆测球相结合，构成了基于石英音叉的三维谐振触发测头；
呈水平放置试样6，以正弦交流信号4施加于压电驱动器2作为励振信号，通过压电传感器3检测音叉谐振信号5并输出。
压电驱动器2获得励振信号使石英音叉处于自由谐振状态，此时石英音叉的谐振振幅较大。当微测杆测球7轻触或摩擦试样6的表面时，由于石英音叉臂对外力极为敏感，存在于微测杆测球7顶端的原子团与试样6表面的原子团之间的斥力，导致了石英音叉谐振频率的变化，同时导致了谐振振幅的减小。通过压电传感器3取出测头反馈信号，根据检出的信号，结合水平方向位移，即可实现微测杆测球在X、Y、Z三方向的谐振触法定位，并得到相应的力曲线图形。
测量过程中，三维谐振触发测头保持不动，以试样6在水平面内的平移完成微测杆测球7与试样6表面的三维谐振触法定位，保持微测杆测球7与试样6的轻触或摩擦，且驱动信号振幅恒定，根据压电传感器3的反馈信息获得X、Y、Z三方向相应的力曲线图形。
图2a所示为三维谐振测头在石英音叉外壳未去掉时的幅频图，其励振信号是峰——峰值为2V的正弦信号，其谐振峰值可以达到7.8V，Q值高达14246.6；图2b所示为三维谐振测头在石英音叉与微测杆测球结合后的幅频图，其励振信号也是2V峰峰值的正弦信号。其谐振频率为29.8116kHz，谐振峰值为3.6V，其Q值约为2866.07。
品质因数Q的大小影响到石英音叉谐振时的幅值大小，以及微测杆测球与试样表面发生瞬间接触前后，石英音叉谐振振幅改变量的大小。也就是品质因数越高，相同接触力的情况下，石英音叉谐振幅值改变量越大，力灵敏度越高；反之，则振幅的改变量较小，力灵敏度较低。
如图3a为Z方向石英音叉自由振动示意图，图3b为Z方向石英音叉自由振动波形图，图3b中横坐标t表示时间，纵坐标A表示音叉谐振幅值。系统通过锁相环路实现测头的励振与频率跟踪，锁相环输出的信号施加于压电驱动器，当微测杆测球距离试样较远时，石英音叉处于自由谐振状态，测头产生较大的谐振振幅A0，如图3a和图3b所示。
当微测杆测球靠近试样表面时，由于处于谐振状态的音叉臂对外力极为敏感，微测杆测球顶端的原子团与试样表面的原子团之间的斥力导致石英音叉谐振频率会有几十个赫兹的变化，如图4a所示，使谐振振幅减小为A1，如图4b所示。
同理，如图5a所示为X、Y方向石英音叉在X、Y向自由振动示意图，图5b为X、Y方向石英音叉自由振动波形图，图6a为X、Y方向微测杆测球摩擦试样时石英音叉示意图，图6b为X、Y方向微测杆测球轻触试样时石英音叉振动波形图。
本发明三维谐振触发测头具有纳米量级的灵敏度，通过实验测试，在X方向上其灵敏度可以达到1.1mv/nm，如图7a所示。在Y方向上其灵敏度可以达到1.8mv/nm，如图7b所示。在Z方向上其灵敏度可以达到8.1mv/nm，如图7c所示。所测试时，系统的整体噪声水平约为3mv，因此，X方向上的系统垂直分辨率约为2.7nm、Y方向上系统垂直分辨率约为1.6nm、Z方向上系统的垂直分辨率约为0.4nm。

Claims (2)

1.基于石英音叉的三维谐振触发测头，其特征是：采用石英音叉(1)作为实现三维谐振触发定位的微力传感器，在所述石英音叉(1)的一个音叉臂上固定有压电驱动器(2)，在另一个音叉臂上固定有压电传感器(3)；设置所述石英音叉(1)在Z方向上的振动方向与试样表面垂直，在X、Y方向上的振动方向与试样表面平行，在靠近试样(6)所在一侧的音叉臂上，固定设置一体式微测杆测球(7)，以锁相环路输出的正弦交流信号(4)施加于所述压电驱动器(2)作为励振信号，通过压电传感器(3)检测音叉谐振信号(5)。
2.一种权利要求1所述基于石英音叉的三维谐振触发测头的三维谐振触发定位方法，其特征是呈水平放置试样(6)，以锁相环路输出的正弦交流信号(4)施加于压电驱动器(2)作为励振信号，通过压电传感器(3)检测音叉谐振信号(5)并输出；所述三维谐振触发测头在Z方向工作于轻敲模式，石英音叉的振动方向与试样垂直；在X、Y方向上工作于摩擦模式，石英音叉的振动方向与试样平行；所述三维谐振触发测头保持不动，以试样(6)在水平面内的平移完成三维谐振触发测头在试样的表面的三维触发定位，或试样(6)保持不动，以三维谐振触发测头在水平面内的平移完成三维谐振触发测头在试样的表面的三维触发定位。
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