CN105758335B

CN105758335B - 三维微纳米测量探头

Info

Publication number: CN105758335B
Application number: CN201610310886.9A
Authority: CN
Inventors: 李瑞君; 许�鹏; 向萌; 范光照; 程真英
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2018-05-01
Anticipated expiration: 2036-05-10
Also published as: CN105758335A

Abstract

本发明公开了一种高精度大量程三维微纳米测量探头，其特征是利用支撑件固定连接测头单元和测量单元，其测头单元设置有双层悬浮结构，前端悬浮结构设置一平面反射镜，并安装一测量探针，后端悬浮结构固定有挡光刀片，并通过一连接探杆与前端悬浮结构相连；测量单元设置一分光棱镜将光源光束分为反射光与透射光，反射光光强由于挡光刀片的Z向联动产生变化并照射在第一四象限探测器上，透射光经三块平面反射镜的反射照射在第二四象限探测器上；利用第一四象限探测器和第二四象限探测器输出的检测信号实现对平面反射镜的位移和二维角度的测量。本发明能获得高精度、高灵敏度，大量程、小测力和稳定性高的探测效果。

Description

三维微纳米测量探头

技术领域

本发明涉及三维微纳米测量领域，更具体的说是一种应用在纳米三坐标测量机上的高精度大量程三维微纳米测量探头，可以感测物体表面的三维形貌。

背景技术

随着纳米技术的日新月异，各行各业都+竞相展开了器件微小型化的技术革命，尺寸介于毫米和微米之间的微型器件相继问世。尤其是微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)器件加工技术的飞速发展，出现了各种以纳米量级为标准的微小器件。如微型涡轮、微型针阵列、齿轮驱动的微型马达、微型透镜、微型喷嘴和微型齿轮等等MEMS产品。这些微型器件的几何结构日趋复杂，且几何尺寸几乎接近微纳米量级，实际加工中所允许的公差尺寸越来越小，加工精细度要求极高。因此，要对这一些微型器件进行精密测量，保证MEMS器件的加工质量，在实践中就迫切需要具有纳米量级精度的三坐标测量机。

纳米三坐标测量机主要由具有纳米定位测量功能的三维运动平台和具有感测功能的探头两部分组成。探头部分是三坐标测量机的重要核心部件之一，探头的精度很大程度上决定了三坐标测量机整体的测量精度。探头分为接触式探头和非接触式探头两大类，接触式探头可以用来测量非接触式探头所不能测量的具有斜面、台阶、深孔、圆弧等特征的工件。接触式探头又分为接触触发式探头和接触扫描式探头两种。其中，接触触发式探头是指探头本身只起触发作用，即当测球接触到被测工件时，探头系统马上输出反馈信号给机台运动控制系统使机台停下来，工件的具体尺寸是靠机台的三轴测量系统来给出的，探头本身并不具有测量功能，这种形式的探头不能单独使用，必须与机台一起工作。而接触扫描式探头除了具备接触触发式探头的功能外，还具有测量功能，可以直接对工件进行感测并给出测量结果。

目前已经公布的接触式探头主要以接触触发式为主，比如美国国家标准与技术研究院、英国国家物理实验室、东京大学、台湾大学、天津大学、合肥工业大学等机构公布的探头。接触扫描式探头主要包括德国联邦物理研究院PTB、荷兰Eindhoven工业大学、瑞士联邦计量鉴定局METAS公布的探头。PTB的测头由硅膜和测杆组成。当测杆的端部受到外力作用的时候，导致硅膜变形，通过硅膜上的压阻变化检测出测头端部的位移和力的大小，该探头采用24个压阻检测的方式，提高了检测灵敏度，降低了测头对温度的影响，但其采用薄膜结构使应力分布不均匀，硅膜结构比较容易断裂。荷兰Eindhoven大学开发的基于应变计的三维微接触式传感测头，应变计与电路和弹性元件一起通过沉淀、制版、刻蚀等工艺后被制作成一个整体，测头各个方向的力和位移的变化通过装在敏感梁上的应变计进行检测，体积较小，但应变片的检测灵敏度和精度都比较低，且其测头采用三角形拓扑结构，解耦复杂。瑞士联邦计量检定局METAS开发了一种电磁式微接触式测头，测头具有三个方向的自由度，每个方向的检测都采用电感来实现，三个方向的测力相同，结构主要由铝制成，电磁式测头的测量范围较高，横向捡测灵敏度较高且接触力较小，但其结构非常复杂、装调困难，且采用三角形悬挂结构，解耦非常麻烦。

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，提供一种三维微纳米测量探头，以期获得高精度、高灵敏度，大量程、小测力和稳定性高的探测效果，同时具有成本低，安装简易，调整方便的优势。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明三维微纳米测量探头的结构特点是利用支撑件固定连接测头单元和测量单元；

所述测头单元是在空心圆筒的前端面上固定设置前端圆环，四只前端“V”形簧片以各前端“V”形簧片的顶点一一对应连接前端十字悬浮片的各悬臂的臂端，所述前端“V”形簧片的两只底脚连接在前端圆环的端面上；在所述前端十字悬浮片上朝向空心圆筒内部的一侧、处在前端十字悬浮片的中央位置固定设置中央平面反射镜，在所述十字悬浮片上朝向空心圆筒外部的一侧安装探针，探针的前端带有红宝石测球；在所述空心圆筒的尾部端面固定设置尾端圆环，四只尾端“V”形簧片以各尾端“V”形簧片的顶点一一对应连接尾端十字悬浮片的各悬臂的臂端，所述尾端“V”形簧片的两只底脚连接在尾端圆环的端面上；在所述尾端十字悬浮片上朝向空心圆筒内部的一侧、处在尾端十字悬浮片的中央位置固定连接探杆，所述探杆的另一端连接在所述中央平面反射镜的中心位置上；所述尾端十字悬浮片的中央位置在朝向底板一侧凸伸有固定设置的挡光刀片；

所述测量单元的结构形式是：在底板上固定安装激光器，由所述激光器出射的准直光束在分光棱镜经反射形成第一束光，并经透射形成第二束光；所述第一束光作为第一被测光束投向第一四象限探测器，红宝石测球在Z向上产生的位移使尾端“V”形簧片上固定设置的挡光刀片形成Z向联动，并使所述第一四象限探测器获得的第一被测光束的光强产生相应变化，根据光强的变化获得红宝石测球在Z向上的位移量检测信号；所述第二束光投向第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射后投向所述十字悬浮片上的中央平面反射镜，再经所述中央平面反射镜的反射投向第二平面反射镜，以所述第二平面反射镜上的反射光束作为第二被测光束投向第二四象限探测器，利用所述第一四象限探测器和第二四象限探测器输出的检测信号实现对中央平面反射镜的位移和二维角度的测量。

本发明三维微纳米测量探头的结构特点也在于：在所述底板上设置激光器微调座，所述激光器利用不同位置上的可调螺钉安装在所述激光器微调座上，并能利用所述可调螺钉调整激光器的激光出射角度，使第一被测光束能够投照在第一四象限光电探测器的中心位置上。

本发明三维微纳米测量探头的结构特点也在于：在所述底板上设置楔形微调结构，分别是用于安装第一平面反射镜的第一楔形微调结构，以及用于安装第二平面反射镜的第二楔形微调结构，利用内六角螺钉对所述楔形微调结构进行位置调整，以此调整所述第一平面反射镜和第二平面反射镜的偏摆角度，使所述第二被测光束能够投射在第二四象限光电探测器的中心位置上。

本发明三维微纳米测量探头的结构特点也在于：所述第一平面反射镜和第二平面反射镜分处在空心圆筒的两侧。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用高精度的光学传感器，配合设置测头单元中具有高灵敏度和高稳定性的悬浮结构，可以使探头达到的测试效果是：1纳米的测量分辨力；小于10纳米的重复性；水平方向不超过20微米，竖直方向不超过8微米允许碰触范围；小于1毫牛/微米的测力。

2、本发明设置有尾端和前端的双层悬浮结构。通过探杆将前端悬浮结构的受力形变转移到尾端悬浮结构上，利用联动的挡光刀片改变第一四象限探测器探测到的光强信号，进而实现Z方向的位移变量的检测。利用双层悬浮结构将Z轴测量信号与XY轴测量信号分开，实现了对不同光路信号的单独检测，提高了测量精度，简化了测量过程。

3、本发明中测量单元采用的是基于自准直原理的二维角度传感器，光路结构精巧简单，整体零件装调方便，成本较低，稳定性好。

4、本发明中利用激光器微调座和楔形微调结构实现对光路偏摆与俯仰的调整，调整精度高，手动调整便捷，稳定性高，使测量单元中的位移和二维角度传感器更轻松方便的达到理想测量状态。

5、本发明通过对光路结构中器件进行氧化发黑处理，利用顶盖完全覆盖底板上的所有光路器件，可以大大消除自然光以及其它杂散光对测量结果的影响。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明结构分解示意图；

图3为本发明中底板结构示意图；

图4为本发明中顶盖结构示意图；

图5为本发明中测量光路结构示意图；

图6为本发明测头单元结构分解示意图；

图7为本发明测头单元中空心圆筒前端面示意图；

图8a为本发明经测试的稳定性曲线；

图8b为本发明在各个不同方向上的的测试线性曲线；

图中标号：1螺纹端盖；2底板；3顶盖；4激光器微调座；5a第一探测器安装基座；5b第二探测器安装基座；6分光棱镜固定基座；7a第一四象限光电探测器；7b第二四象限光电探测器；8分光棱镜；9激光器；10圆环片；11a尾端圆环；11b前端圆环；12a尾端十字悬浮片；12b前端十字悬浮片；13a尾端“V”形簧片；13b前端“V”形簧片；14连接探杆；15空心圆筒；16a第一楔形微调结构；16b第二楔形微调结构；17a第一平面反射镜；17b第二平面反射镜；17c中央平面反射镜；18a第一内六角螺钉，18b第二内六角螺钉；19探针；20红宝石测球；21挡光刀片。

具体实施方式

参见图1，本实施例中三维微纳米测量探头是利用支撑件固定连接测头单元和部测量单元。

参见图2、图6和图7，测头单元是在空心圆筒15的前端面上固定设置前端圆环11b，四只前端“V”形簧片13b以各前端“V”形簧片13b的顶点一一对应连接前端十字悬浮片12b的各悬臂的臂端，前端“V”形簧片13b的两只底脚连接在前端圆环11b的端面上；在前端十字悬浮片12b上朝向空心圆筒内部的一侧、处在前端十字悬浮片12b的中央位置固定设置中央平面反射镜17c，在十字悬浮片12b上朝向空心圆筒外部的一侧安装探针19，探针19的前端带有红宝石测球20；在空心圆筒15的尾部端面固定设置尾端圆环11a，四只尾端“V”形簧片13a以各尾端“V”形簧片13a的顶点一一对应连接尾端十字悬浮片12a的各悬臂的臂端，尾端“V”形簧片13a的两只底脚连接在尾端圆环11a的端面上；在尾端十字悬浮片12a上朝向空心圆筒内部的一侧、处在尾端十字悬浮片12a的中央位置固定连接探杆14，探杆14的另一端连接在中央平面反射镜17c的中心位置上；尾端十字悬浮片12a的中央位置在朝向底板2一侧凸伸有固定设置的挡光刀片21。

参见图1、图3和图5，测量单元是在底板2上固定安装激光器9，由激光器9出射的准直光束在分光棱镜8经反射形成第一束光，并经透射形成第二束光；以第一束光作为第一被测光束投向第一四象限探测器7a，红宝石测球20在Z向上产生的位移使尾端“V”形簧片13a上固定设置的挡光刀片21形成Z向联动，并使第一四象限探测器7a获得的第一被测光束的光强产生相应变化，根据光强的变化获得红宝石测球20在Z向上的位移量检测信号；第二束光投向第一平面反射镜17a，经第一平面反射镜17a反射后投向十字悬浮片12b上的中央平面反射镜17c，再经中央平面反射镜17c的反射投向第二平面反射镜17b，以第二平面反射镜17b上的反射光束作为第二被测光束投向第二四象限探测器7b，利用第一四象限探测器7a和第二四象限探测器7b输出的检测信号实现对中央平面反射镜17c的位移和二维角度的测量。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

如图1所示，在底板2的尾端设置螺纹端盖1用于外部连接，在底板2上设置激光器微调座4，激光器9利用不同位置上的可调螺钉安装在激光器微调座4上，并能利用可调螺钉调整激光器9的激光出射角度，使第一被测光束能够投照在第一四象限光电探测器7a的中心位置上。

如图5所示，在底板2上设置楔形微调结构，分别是用于安装第一平面反射镜17a的第一楔形微调结构16a，以及用于安装第二平面反射镜17b的第二楔形微调结构16b，利用第一内六角螺钉18a和第二内六角螺钉18b对楔形微调结构进行位置调整，以此调整第一平面反射镜17a和第二平面反射镜17b的偏摆角度，使第二被测光束能够投射在第二四象限光电探测器7b的中心位置上，以保证位移和二维角度传感器的XY值归零。

本实施例中，如图2和图6所示，第一平面反射镜17a和第二平面反射镜17b分处在空心圆筒15的两侧；图2所示的圆环片10作为支撑件固定连接测头单元和部测量单元。

本实施例中高精度大量程三维微纳米测量探头属于接触扫描式探头，在感测物体表面三维形貌的同时，要保证不能破坏物体表面，因此需要高灵敏度的力学机构。本实施例中前端“V”形簧片13b和尾端“V”形簧片13a采用铍青铜簧片，其弹性范围大、应力分布均匀，不容易损坏；中央平面反射镜17c粘贴在前端十字悬浮片上12b。

本实施例中激光器微调座4、分光棱镜固定基座6、第一探测器安装基座5a以及第二探测器安装基座5b分别由四枚螺钉在底板2上进行固定，以保证其稳定性，各器件所对应的螺钉成矩形分布；对于光路结构中器件进行氧化发黑处理，图4所示，在顶盖3的左右两侧分别设置有通孔，作为过线孔，在顶盖3的前端设置通孔以通过光束；利用顶盖3完全覆盖底板2上所固定的光路结构以消除自然光及其它杂散光的影响。

测量时，当探针19的前端红宝石测球20因接触物体受到竖直方向上的力而产生Z向位移之后，前端“V”形簧片13b受力发生形变，并通过探杆14将力传给尾端“V”形簧片13a，从而使尾端“V”形簧片13a同样发生受力变形，并向Z轴方向移动。尾端“V”形簧片13a上固定的挡光刀片21向遮挡第一束反射光方向移动，使第一束反射光的光强受遮挡发生衰减。以第一束反射光束作为第一被测光束投向第一四象限探测器7a，以第一四象限探测器7a输出的衰减光路信号测量Z方向的位移变量；当探针19前端的红宝石测球20在水平方向受到碰触，四个铍青铜簧片悬臂由于自身的弹性特性从而发生微小形变，导致前端十字悬浮片12b和中央平面反射镜17c发生位移和二维角度偏转的变化，从而影响第二束光的光路，改变照射在第二四象限光电探测器7b上的光点位置，利用第二四象限探测器7b的输出信号测量XY方向的位移和角度偏转。

本实施例中的测量单元的工作原理：

从激光器9发出的光经过分光镜棱镜8之后后，分为相互垂直的两束光。其中一束光直接照射在第一块四象限光电探测器7a上。另一束光投向第一平面反射镜17a，经第一平面反射镜17a的反射后投向中央平面反射镜17c，经中央平反射镜17c的反射投向第二平面反射镜17b，并经第二平面反射镜17b的反射投射在第二四象限探测器7b上。中央平面反射镜17c竖直位移的变化对应第一四象限光电探测器7a输出的衰减光路信号；中央平面反射镜17c水平方向的位移和角度变化对应第二四象限光电探测器7b上光点位置的变化，进而导致四象限探测器输出的电流信号大小的变化。利用电流/电压转换电路将四个象限输出的电流信号转换为电压信号，分别记为V_A、V_B、V_C、V_D。根据式(a)和式(b)将四象限探测器上光点的形状和位置的变化转化成两路电压信号输出，这两路电压信号分别与所测量的中央平面反射镜的二维方向的角度相对应，并且在一定范围内呈线性关系。

X＝K[(V_A+V_B)-(V_C+V_D)] (a)

Y＝K[(V_A+V_D)-(V_B+V_C)] (b)

其中，X和Y分别为测球在水平面内两个相互垂直方向的位移，V_A、V_B、V_C、V_D分别为四象限光电探测器探测器QPD中四个象限输出的由电流信号转换获得的四个电压信号；K为比例系数，比例系数K可以通过标定的方式获得。

为了测试本实施例中的三维微纳米接触扫描式探头的性能，以一个德国PI公司生产的三维并联微动平台为基准，测试一方孔表面。方孔尺寸为2毫米×2毫米，由四个高精度测量量块搭建，以便于红宝石测球能从不同水平方向进行测试。对方孔表面水平四个方向，包括X轴正向、X轴负向、Y轴正向、Y轴负向以及Z轴方向进行测量稳定性实验。当环境温度控制在20±0.03℃时，其测量稳定性结果如图8a所示，图8a中可见，实验两小时内的测量漂移量小于7纳米，这一实验结果对于微纳米测量来说具有足够的稳定性；表1显示的是测试结果在每个方向上的残余误差，从表1可以看出，标准残留误差的最大值为14.4纳米；图8b示意出每个方向的线性度非常高，探测器能够响应水平位移接近19.1微米，垂直位移接近6.6微米。

表1

Claims

1.一种三维微纳米测量探头，其特征是利用支撑件固定连接测头单元和测量单元；

所述测头单元是在空心圆筒(15)的前端面上固定设置前端圆环(11b)，四只前端“V”形簧片(13b)以各前端“V”形簧片(13b)的顶点一一对应连接前端十字悬浮片(12b)的各悬臂的臂端，所述前端“V”形簧片(13b)的两只底脚连接在前端圆环(11b)的端面上；在所述前端十字悬浮片(12b)上朝向空心圆筒内部的一侧、处在前端十字悬浮片(12b)的中央位置固定设置中央平面反射镜(17c)，在所述十字悬浮片(12b)上朝向空心圆筒外部的一侧安装探针(19)，探针(19)的前端带有红宝石测球(20)；在所述空心圆筒(15)的尾部端面固定设置尾端圆环(11a)，四只尾端“V”形簧片(13a)以各尾端“V”形簧片(13a)的顶点一一对应连接尾端十字悬浮片(12a)的各悬臂的臂端，所述尾端“V”形簧片(13a)的两只底脚连接在尾端圆环(11a)的端面上；在所述尾端十字悬浮片(12a)上朝向空心圆筒内部的一侧、处在尾端十字悬浮片(12a)的中央位置固定连接探杆(14)，所述探杆(14)的另一端连接在所述中央平面反射镜(17c)的中心位置上；所述尾端十字悬浮片(12a)的中央位置在朝向底板(2)一侧凸伸有固定设置的挡光刀片(21)；

所述测量单元的结构形式是：在底板(2)上固定安装激光器(9)，由所述激光器(9)出射的准直光束在分光棱镜(8)经反射形成第一束光，并经透射形成第二束光；所述第一束光作为第一被测光束投向第一四象限探测器(7a)，红宝石测球(20)在Z向上产生的位移使尾端“V”形簧片(13a)上固定设置的挡光刀片(21)形成Z向联动，并使所述第一四象限探测器(7a)获得的第一被测光束的光强产生相应变化，根据光强的变化获得红宝石测球(20)在Z向上的位移量检测信号；所述第二束光投向第一平面反射镜(17a)，经第一平面反射镜(17a)反射后投向所述十字悬浮片(12b)上的中央平面反射镜(17c)，再经所述中央平面反射镜(17c)的反射投向第二平面反射镜(17b)，以所述第二平面反射镜(17b)上的反射光束作为第二被测光束投向第二四象限探测器(7b)，利用所述第一四象限探测器(7a)和第二四象限探测器(7b)输出的检测信号实现对中央平面反射镜(17c)的位移和二维角度的测量。

2.根据权利要求1所述的三维微纳米测量探头，其特征是：在所述底板(2)上设置激光器微调座(4)，所述激光器(9)利用不同位置上的可调螺钉安装在所述激光器微调座(4)上，并能利用所述可调螺钉调整激光器(9)的激光出射角度，使第一被测光束能够投照在第一四象限光电探测器(7a)的中心位置上。

3.根据权利要求1所述的三维微纳米测量探头，其特征是：在所述底板(2)上设置楔形微调结构，分别是用于安装第一平面反射镜(17a)的第一楔形微调结构(16a)，以及用于安装第二平面反射镜(17b)的第二楔形微调结构(16b)，利用内六角螺钉对所述楔形微调结构进行位置调整，以此调整所述第一平面反射镜(17a)和第二平面反射镜(17b)的偏摆角度，使所述第二被测光束能够投射在第二四象限光电探测器(7b)的中心位置上。

4.根据权利要求1所述的三维微纳米测量探头，其特征是：所述第一平面反射镜(17a)和第二平面反射镜(17b)分处在空心圆筒(15)的两侧。