CN110726378A - 一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置及方法，在利用本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置对样品表面参数进行测量时，开启激光光源并对X轴四象限光电探测器、Y轴四象限光电探测器、Z轴四象限光电探测器进行校正之后，将测端球沿被测样品的表面接触扫描；测端球通过测针以及中心连接部带动四棱锥反射镜产生位置变化，从而使得四棱锥反射镜的三个反射面反射至X轴四象限光电探测器、Y轴四象限光电探测器、Z轴四象限光电探测器上的光斑产生偏移量；根据光斑所产生的偏移量可以得出测端球与样品表面接触点的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的坐标参数。

Description

一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置及方法，用于实现微纳结构的三维测量。

背景技术

半导体、精密光学制造和微纳加工等相关领域的持续、快速发展，对微纳米尺度几何量计量提出了更高的要求。随着器件结构的微型化和复杂化，解决高深宽比、大尺寸器件的高精度测量和表征问题显得尤为重要。目前，触觉坐标测量仍然是最通用的测量手段。在生产测量技术领域，集成触觉测头的坐标测量技术已经成为实际的行业标准。触觉测头开发的技术难点主要集中在：1)被测结构的微型化和复杂化，对测球直径和探测结构的要求越来越高；2)制造过程中新型柔性材料的使用，要求测头具有更低的测量力；3)高分辨力和低测量不确定度要求。

四象限探测器也称为四象限光电探测器或者四象限激光探测器等名称，是测量技术中常用的一种测量装置。

对于尺寸处于微纳米量级的器件而言，随着其表面积与体积之比增大，结构的应力分布、黏附力、静电力等因素的影响也会逐渐增大。如果器件几何参数存在加工微小缺陷或设计缺陷时，以上因素将可能直接导致器件失效，如多晶硅悬臂梁的断裂失效和静电梳齿驱动器的黏附失效。对于表面质量要求较高的器件而言，表面质量就直接决定着其功能。因此，开展用于微纳米尺度几何尺寸测量的测头研究对保证产品质量，促进先进制造业的发展具有重要意义。

但是目前还没有能够方便的测量微纳米尺度几何尺寸测量的测量装置，尤其是在微纳米尺寸结构的表面结构参数的测量上存在技术空白。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置及方法，能够方便地测量微纳米结构的表面结构参数。

为实现上述目的，本发明提供一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置，采用如下技术方案：一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置，包括激光光源，所述激光光源的正下方设有四棱锥反射镜，所述四棱锥反射镜安装在悬架结构上，所述悬架结构包括刚性框架和设置于刚性框架中心的中心连接部，所述中心连接部与刚性框架之间连接有可变形连接部，所述四棱锥反射镜安装在中心连接部的上表面，中心连接部的下表面安装有测针，测针的下端设有测端球，所述测端球用于和样品接触并通过中心连接部带动四棱锥反射镜产生位置变化；所述四棱锥反射镜的其中三个反射面分别对准X轴四象限光电探测器、Y轴四象限光电探测器、Z轴四象限光电探测器；所述四棱锥反射镜用于将激光光源发出的光线通过所述三个反射面分别反射至X轴四象限光电探测器、Y轴四象限光电探测器、Z轴四象限光电探测器中；所述X轴四象限光电探测器、Y轴四象限光电探测器、Z轴四象限光电探测器用于接收所述三个反射面所反射的光信号并产生对应的电压信号，从而得出样品的表面参数。

优选地，所述激光光源发出的光束中心线、四棱锥反射镜的中心线、测针的中心线与测端球的中心线重合。

优选地，所述测针通过粘结或者焊接的方式连接于中心连接部的下表面。

优选地，所述激光光源包括激光二极管、激光扩束镜头和准直透镜，所述激光二极管发出的激光依次经过准直透镜和激光扩束镜头后射出至四棱锥反射镜的反射面上。

优选地，所述刚性框架为中心对称结构。

优选地，所述刚性框架呈圆环形或者正多边形结构。

优选地，所述可变形连接部为均布在中心连接部周围的连接条或者填充于刚性框架与中心连接部之间的连接薄膜。

优选地，所述可变形连接部为均布在中心连接部周围的连接条，所述连接条为三根、四根或者六根。

与本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置相应地，本发明还提供一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量方法，利用上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置进行作业，包括如下作业步骤：

1)开启激光光源及X轴四象限光电探测器、Y轴四象限光电探测器、Z轴四象限光电探测器，并校正四棱锥反射镜的三个反射面反射至X轴四象限光电探测器、Y轴四象限光电探测器、Z轴四象限光电探测器的光斑与各四象限光电探测器原点重合；

2)将测端球沿被测样品的表面接触扫描；

3)测端球通过测针以及中心连接部带动四棱锥反射镜产生位置变化，从而使得四棱锥反射镜的三个反射面反射至X轴四象限光电探测器、Y轴四象限光电探测器、Z轴四象限光电探测器上的光斑产生偏移量；

4)X轴四象限光电探测器、Y轴四象限光电探测器、Z轴四象限光电探测器根据光斑所产生的偏移量得出测端球与样品表面接触点的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的坐标参数。

如上所述，本发明涉及的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置及方法，具有以下有益效果：在利用本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置对样品表面参数进行测量时，开启激光光源并对X轴四象限光电探测器、Y轴四象限光电探测器、Z轴四象限光电探测器进行校正之后，将测端球沿被测样品的表面接触扫描；测端球通过测针以及中心连接部带动四棱锥反射镜产生位置变化，从而使得四棱锥反射镜的三个反射面反射至X轴四象限光电探测器、Y轴四象限光电探测器、Z轴四象限光电探测器上的光斑产生偏移量；根据光斑所产生的偏移量可以得出测端球与样品表面接触点的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的坐标参数。

附图说明

图1显示为本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置的结构示意图。

图2显示为激光光源模块的结构示意图。

图3显示为四象限光电探测器的示意图。

图4显示为第一种悬架结构的结构示意图。

图5显示为第二种悬架结构的示意图。

图6显示为第三种悬架结构的示意图。

图7显示为第四种悬架结构的示意图。

图8显示为测针及测端球的结构示意图。

图9显示为测端球产生轴向位移时，四棱锥反射镜位置变化的示意图。

图10显示为测端球产生轴向位移时，四棱锥反射镜位置变化引起光斑在Z轴四象限光电探测器上的偏移的示意图。

图11显示为测端球产生横向位移时，四棱锥反射镜位置变化的示意图。

图12显示为测端球产生横向位移时，四棱锥反射镜位置变化起光斑在X轴四象限光电探测器上的偏移的示意图。

元件标号说明

1 激光光源

2 四棱锥反射镜

3a 悬架结构

4a 刚性框架

5a 中心连接部

6a 可变形连接部

3b 悬架结构

4b 刚性框架

5b 中心连接部

6b 可变形连接部

3c 悬架结构

4c 刚性框架

5c 中心连接部

6c 可变形连接部

3d 悬架结构

4d 刚性框架

5d 中心连接部

6d 可变形连接部

7 测针

8 测端球

9 X轴四象限光电探测器

10 Y轴四象限光电探测器

11 Z轴四象限光电探测器

12 激光二极管

13 准直透镜

14 样品托架

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置，包括激光光源1，所述激光光源1的正下方设有四棱锥反射镜2，所述四棱锥反射镜2安装在悬架结构3a/3b/3c/3d上，所述悬架结构3a/3b/3c/3d包括刚性框架4a/4b/4c/4d和设置于刚性框架4a/4b/4c/4d中心的中心连接部5a/5b/5c/5d，所述中心连接部5a/5b/5c/5d与刚性框架4a/4b/4c/4d之间连接有可变形连接部6a/6b/6c/6d，所述四棱锥反射镜2安装在中心连接部5a/5b/5c/5d的上表面，中心连接部5a/5b/5c/5d的下表面安装有测针7，测针7的下端设有测端球8，所述测端球8用于和样品接触并通过中心连接部5a/5b/5c/5d带动四棱锥反射镜2产生位置变化；所述四棱锥反射镜2的其中三个反射面分别对准X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11；所述四棱锥反射镜2用于将激光光源1发出的光线通过所述三个反射面分别反射至X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11中；所述X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11用于接收所述三个反射面所反射的光信号并产生对应的电压信号，从而得出样品的表面参数。

在利用本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置对样品表面参数进行测量时，开启激光光源1并对X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11进行校正之后，样品固定在样品托架14上，将测端球8沿被测样品的表面接触扫描；测端球8通过测针7以及中心连接部5a/5b/5c/5d带动四棱锥反射镜2产生位置变化，从而使得四棱锥反射镜2的三个反射面反射至X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11上的光斑产生偏移量；根据光斑所产生的偏移量可以得出测端球8与样品表面接触点的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的坐标参数，通过测端球8扫描样品表面而获取样品表面点云就可以重构出样品表面形貌。X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11均与控制分析装置连接，控制分析装置用于接收X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11所传递的电压信号，控制分析装置中储存有计算测端头所测的被测点与各四象限光电探测器所传递的电压信号之间的数学模型，控制分析装置能够根据X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11所传递的电压信号计算得出测端头所测的被测点的坐标。

在本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置中，X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11分别用于探测所述测端球8在X、Y、Z三轴方向上的微位移，每个四象限光电探测器负责探测一个方向的光斑偏移量。X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11分别接收四棱锥反射镜2的其中三个反射面反射的光线，并根据四棱锥反射的光线的光斑位置的变化而生成与测端球8坐标位置相应的电压信号，根据电压信号与测端球8之间的数学模型关系即可计算得出测端球8的坐标位置，也就能够得出样品表面与测端球8接触点的坐标位置。

如图1所示，激光光源1竖直向下地照射在四棱锥反射镜2顶部，四棱锥反射镜2的四个反射面将激光光束分成四束，分别沿四个方向反射，四棱锥反射镜2的其中三个反射面将激光光束分别反射至X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11中。四棱锥反射镜2刚性地连接于悬架结构3a/3b/3c/3d的中心连接部5a/5b/5c/5d上表面，测针7连接于中心连接部5a/5b/5c/5d下表面，通过粘接或者焊接的方式与中心连接部5a/5b/5c/5d保持刚性连接，这样可以保证测端球8受到样品表面接触的作用力时所产生的位置变化量能够通过测针7和中心连接部5a/5b/5c/5d准确地转换成四棱锥反射镜2的位置变化。请参考图9和图10，当测端球8受轴向负载时，微位移通过测针7和中心连接部5a/5b/5c/5d直接传递到四棱锥反射镜2，引起反射镜的偏移或偏转。请参考图11和图12，当测端球8受横向负载时，由测针7和中心连接部5a/5b/5c/5d将横向微位移转换为中心连接部5a/5b/5c/5d的偏转，进而驱动四棱锥反射镜2偏转。当进行横向测量时，测针7的测端球8与样品接触，在相互作用力下产生微位移，微位移通过测针7及中心连接部5a/5b/5c/5d形成的杠杆结构转化为四棱锥反射镜2的位置偏转，进而引起反射光束照射在各四象限光电探测器上的光斑的位置偏转；当进行纵向测量时，测端球8的位移通过测针7和中心连接部5a/5b/5c/5d传递到四棱锥反射镜2，进而引起反射光束的偏移。反射光束的偏移量通过四象限光电探测器进行检测，并将位移量转化为电压信号。通过建立位移量与电压信号的数学关系模型，即可计算测端球8的微小位移，从而得出样品表面被测点的坐标参数，本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置特别适用于无法使用常规测量仪器进行测量的情况，可用于微纳米几何参数的高精度测量，测头接触力小，动态特性好。

在本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置中，如图1所示，所述激光光源1发出的光束中心线、四棱锥反射镜2的中心线、探针的中心线与测端球8的中心线重合。这样可以使得整个测量装置在结构上呈中心对称的形式，使得测量特性在水平各方向一致性较好，有利于测量装置稳定可靠。

在本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置中，如图1所示，探针连接于中心连接部5a/5b/5c/5d的下表面，四棱锥反射镜2连接于中心连接部5a/5b/5c/5d的上表面，作为一种优选的实施方式，所述探针通过粘结或者焊接的方式连接于中心连接部5a/5b/5c/5d的下表面。测端球8、探针、中心连接部5a/5b/5c/5d和四棱锥反射镜2的整体应具有较高的刚性，而悬架结构3a/3b/3c/3d应该在结构上和力学特性上绕其中心均匀对称，这样才能保证测端球8能够将位置变化准确地转换为四棱锥反射镜2相应的位置变化，使得四棱锥反射镜2反射至X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11上的光斑位置能够与测端球8的位置坐标(测端球8的位置坐标与样品被测点的位置坐标是对应的，因此，通过测端球8的位置就能够得出样品被测点的位置)准确对应，这样才能够保证测量装置测量精准。本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置可用于检测微纳米尺寸级别的样品，因此，测端球8、测针7、悬架结构3a/3b/3c/3d等相关的零部件尺寸都很小，悬架结构3a/3b/3c/3d可以采用体硅MEMS工艺加工，具有加工精度高、体积小、一体化成型等优点，可以通过氧化、光刻、湿法刻蚀等工艺加工成形，可进行批量生产，工艺流程简单、成品率高，可有效降低生产成本。可以在一块完整的硅基底上刻蚀出整个悬架结构3a/3b/3c/3d，中心连接部5a/5b/5c/5d和刚性框架4a/4b/4c/4d的厚度远大于可变性连接部的厚度，且相对于可变性连接部呈刚性。即，当可变形连接部6a/6b/6c/6d受力变形时，中心连接部5a/5b/5c/5d和刚性框架4a/4b/4c/4d的变形可忽略。悬架结构3a/3b/3c/3d在绕其中心的不同受力方向上的刚度一致，以保证测量时在不同方向探测力的一致性。

如图2所示，本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置测量采用的光束由激光二极管12激发，激光光源1包括激光二极管12、激光扩束镜头和准直透镜13，激光光源1发出的激光光束具有亮度高、单色性和方向性好等优点，激光二极管12发出的光需经准直透镜13准直后照射到四棱锥反射镜2，如光束直径偏小，还可根据具体场景对光束进行扩束，可通过在准直透镜13后加装激光扩束镜头实现，激光二极管12发出的激光依次经过准直透镜13和激光扩束镜头后射出至四棱锥反射镜2的反射面上。

为了提高四棱锥反射镜2的反射率，可以对四棱锥反射镜2的反射面进行镀膜处理，以实现尽可能高的反射率，四棱锥反射镜2的反射面具有较高的平面度和表面粗糙度指标。优选地，可以对四棱锥反射镜2的反射面镀铝膜、银膜或金膜。

在本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置中，利用四象限光电探测器探测光斑的位置变化从而根据数学模型计算得出样品被测点的位置坐标，如图3所示，四象限光电探测器的感光检测屏上分为A、B、C、D四个象限区域，由四棱锥反射镜2反射至四象限光电探测器的感光检测屏上的光斑能够触发四象限光电探测器产生相应的电压信号并通过OUTA、OUTB、OUTC、OUTD四个输出端口输出，根据四个输出端口输出的电压信号与测端球8位置之间的数学模型即可计算得出被测样品上被测点的坐标。

在本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置中，为了使得测端球8与样品表面接触产生的位置变化能够准确地转换成四棱锥反射镜2相应的位置变化，作为一种优选的实施方式，所述刚性框架4a/4b/4c/4d为中心对称结构，所述可变性连接部绕刚性框架4a/4b/4c/4d的中心均匀分布。这样，测端球8通过中心连接部5a/5b/5c/5d带动四棱锥反射镜2发生位置变化时，可变性连接部能够产生变形适应四棱锥反射镜2所需要发生的位置变化，而刚性框架4a/4b/4c/4d呈刚性且为中心对称结构，这样能够使得四棱锥反射镜2在各个方向的结构特性和受力特性是均匀一致的。更进一步地，刚性框架可以是呈圆环形或者正多边形结构。作为一种优选的实施方式，所述可变形连接部为均布在中心连接部周围的连接条或者填充于刚性框架与中心连接部之间的连接薄膜。所述可变性连接部绕刚性框架的中心分布越均匀，四棱锥反射镜2在各个方向的结构特性和受力特性就越均匀一致。作为一种优选的实施方式，所述可变形连接部为均布在中心连接部周围的连接条，所述连接条为三根、四根或者六根。悬架结构也可采用其他结构，如硅薄膜、三梁、六梁等拓扑结构。

以下介绍几种较为典型的悬架结构的具体实施例：

第一种悬架结构：如图4所示，该悬架结构3a的刚性框架4a呈正方形，中心连接部5a为设置于刚性框架4a中心的正方形结构，中心连接部5a的上表面用于连接四棱锥反射镜2，中心连接部5a的下表面用于连接测针7，刚性框架4a的各边分别平行于中心连接部5a的各边，可变形连接部6a为连接于刚性框架4a各边与中心连接部5a各边的四根连接条，中心连接部5a与刚性框架之间的其他区域镂空设置。

第二种悬架结构：如图5所示，该悬架结构3b的刚性框架4b呈圆环形，中心连接部5b为同心设置于刚性框架4b中心的圆盘状结构，中心连接部5b的上表面用于连接四棱锥反射镜2，中心连接部5b的下表面用于连接测针7，可变形连接部6b为连接于刚性框架4b与中心连接部5b之间的3根连接条，中心连接部5b与刚性框架4b之间的其他区域镂空设置。

第三种悬架结构：如图6所示，该悬架结构3c与图5所示的悬架结构3b不同之处在于：在中心连接部5c与刚性框架4c之间设置了6根连接条作为可变形连接部6c，数量较多且绕中心连接部5c的中心均布能够使得整个悬架结构的结构及力学特性更为均匀。

第四中悬架结构：如图7所示，该悬架结构3d的刚性框架4d为圆环形，中心连接部5d和可变形连接部6d结合为一体成为圆形的薄膜结构，四棱锥反射镜2设置于薄膜结构的中心，测针7连接于薄膜结构的下表面的中心。理论上，这种悬架结构的结构及力学特性是最为均匀一致的。

如图8所示，测端球8连接于测针7下端，测针7包括上部较粗的杆部和下部较细的针部，测端球8连接在针部的下端。测针7和测端球8利用超精密加工技术加工，测针7部分采用碳化钨材料，以同时满足高刚度和低重量的要求。测端球8采用红宝石材料，以减小球体的磨损和变形，红宝石是已知的最硬的材料之一，红宝石测端球8的表面极为光滑，具有极高的抗压强度和很高的机械耐磨性。测针7与中心连接部粘接时，应保证测针7和中心连接部的垂直性和连接部分的刚性。此外，测针7粘接的位置应处于中心连接部的正中央，以使整个悬挂结构平衡受力。

与本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置相应地，本发明还提供一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量方法，利用上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置进行作业，包括如下作业步骤：

1)开启激光光源1及X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11，并校正四棱锥反射镜2的三个反射面反射至X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11的光斑与各四象限光电探测器原点重合；

2)将测端球8沿被测样品的表面接触扫描；

3)测端球8通过探针以及中心连接部带动四棱锥反射镜2产生位置变化，从而使得四棱锥反射镜2的三个反射面反射至X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11上的光斑产生偏移量；

4)X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11根据光斑所产生的偏移量得出测端球8与样品表面接触点的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的坐标参数。

在对样品进行测量时，测端球8的偏移和反射光束在各四象限光电探测器上产生的光斑位置的偏移量之间的关系可通过建立相应的数学模型计算。当测端球8与样品未接触或者二者之间的接触力为零时，四棱锥反射镜2反射至各在四象限光电探测器上的光斑应处在四象限光电探测器的中心位置，四象限光电探测器的输出应为零。当光斑位置发生改变，四象限光电探测器就会输出一个相应的电压值，通过建立该电压值和测端球8所受负载位移之间的关系即可根据电压值计算出位移值，进而重构出被测样品的表面形貌。

请参考图9至图12，在此对测端球8所受负载位移与光斑在四象限光电探测器上的位移之间的关系作以解释说明，图9至图12中，Δx为测端球8的位移，Δx′为对应四象限光电探测器上的光斑位移。l₁为测针7的长度，l₂为在四棱锥反射镜2上的反射点与四象限光电探测器之间的距离，θ为测针7偏转角。

请参考图9，当测端球8受轴向负载(Z轴方向)时，测端球8所受负载位移与光斑在四象限光电探测器(Z轴四象限光电探测器11)上的位移之间的的关系模型如图10，测端球8位移为Δx，对应四象限光电探测器上的光斑移动距离Δx′为：

Δx′＝Δx (1)

四象限光电探测器上的光斑位移Δx′与其输出电压之间具有对应关系，因此，Δx′可以根据四象限光电探测器的输出电压得到，这样就可以计算出测端球8的位移Δx的值，从而得出被测样品上被测点的轴向(Z轴方向)坐标位置。

请参考图11，当测端球8受横向负载(X轴方向或者Y轴方向)时，测端球8所受负载位移与光斑在四象限光电探测器(X轴方向或者Y轴方向)上的位移之间的的关系模型如图12，测端球8位移为Δx，测针7偏转角为θ，当θ足够小时，有sinθ＝tanθ。根据光线反射原理，当反射面偏转θ角时，反射光线偏转2θ角，且：

由式(2)、式(3)可得：

四象限光电探测器上的光斑位移Δx′与其输出电压之间具有对应关系，因此，Δx′可以根据四象限光电探测器的输出电压得到，这样就可以计算出测端球8的位移Δx的值，从而得出被测样品上被测点的横向(X轴方向或者Y轴方向)坐标位置。

对于样品上的某个被测点，测端球8可能同时受到轴向负载和横向负载，X轴四象限光电探测器9、Y轴四象限光电探测器10、Z轴四象限光电探测器11能够根据上述数学模型关系得出相应的输出电压，由各四象限光电探测器就可得出该被测点的X轴方向坐标、Y轴方向坐标和Z轴方向坐标。

基于上述实施例的技术方案，本发明的一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置能够方便地测量微纳米结构的表面结构参数，能够解决微纳米三维几何参数测量中高深宽比、大尺寸器件的高精度测量难题，可实现三维方向微位移传感的微接触测量，可用作微纳米坐标测量机的传感测头，实现零点定位传感或模拟扫描测量功能。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置，其特征是，包括激光光源(1)，所述激光光源(1)的正下方设有四棱锥反射镜(2)，所述四棱锥反射镜(2)安装在悬架结构(3a/3b/3c/3d)上，所述悬架结构(3a/3b/3c/3d)包括刚性框架(4a/4b/4c/4d)和设置于刚性框架(4a/4b/4c/4d)中心的中心连接部(5a/5b/5c/5d)，所述中心连接部(5a/5b/5c/5d)与刚性框架(4a/4b/4c/4d)之间连接有可变形连接部(6a/6b/6c/6d)，所述四棱锥反射镜(2)安装在中心连接部(5a/5b/5c/5d)的上表面，中心连接部(5a/5b/5c/5d)的下表面安装有测针(7)，测针(7)的下端设有测端球(8)，所述测端球(8)用于和样品接触并通过中心连接部(5a/5b/5c/5d)带动四棱锥反射镜(2)产生位置变化；所述四棱锥反射镜(2)的其中三个反射面分别对准X轴四象限光电探测器(9)、Y轴四象限光电探测器(10)、Z轴四象限光电探测器(11)；所述四棱锥反射镜(2)用于将激光光源(1)发出的光线通过所述三个反射面分别反射至X轴四象限光电探测器(9)、Y轴四象限光电探测器(10)、Z轴四象限光电探测器(11)中；所述X轴四象限光电探测器(9)、Y轴四象限光电探测器(10)、Z轴四象限光电探测器(11)用于接收所述三个反射面所反射的光信号并产生对应的电压信号，从而得出样品的表面参数。

2.根据权利要求1所述的基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置，其特征在于：所述激光光源(1)发出的光束中心线、四棱锥反射镜(2)的中心线、测针(7)的中心线与测端球(8)的中心线重合。

3.根据权利要求1所述的基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置，其特征在于：所述测针(7)通过粘结或者焊接的方式连接于中心连接部(5a/5b/5c/5d)的下表面。

4.根据权利要求1所述的基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置，其特征在于：所述激光光源(1)包括激光二极管(12)、准直透镜(13)和激光扩束镜头，所述激光二极管(12)发出的激光依次经过准直透镜(13)和激光扩束镜头后射出至四棱锥反射镜(2)的反射面上。

5.根据权利要求1所述的基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置，其特征在于：所述刚性框架为中心对称结构。

6.根据权利要求1所述的基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置，其特征在于：所述刚性框架呈圆环形或者正多边形结构。

7.根据权利要求6所述的基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置，其特征在于：所述可变形连接部为均布在中心连接部周围的连接条或者填充于刚性框架与中心连接部之间的连接薄膜。

8.根据权利要求6所述的基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置，其特征在于：所述可变形连接部为均布在中心连接部周围的连接条，所述连接条为三根、四根或者六根。

9.一种基于四象限光电探测器的三维微接触式测量方法，利用权利要求1至8任一项所述的基于四象限光电探测器的三维微接触式测量装置进行作业，其特征是，包括如下作业步骤：

1)开启激光光源(1)及X轴四象限光电探测器(9)、Y轴四象限光电探测器(10)、Z轴四象限光电探测器(11)，并校正四棱锥反射镜(2)的三个反射面反射至X轴四象限光电探测器(9)、Y轴四象限光电探测器(10)、Z轴四象限光电探测器(11)的光斑与各四象限光电探测器原点重合；

2)将测端球(8)沿被测样品的表面接触扫描；

3)测端球(8)通过测针(7)以及中心连接部(5a/5b/5c/5d)带动四棱锥反射镜(2)产生位置变化，从而使得四棱锥反射镜(2)的三个反射面反射至X轴四象限光电探测器(9)、Y轴四象限光电探测器(10)、Z轴四象限光电探测器(11)上的光斑产生偏移量；

4)X轴四象限光电探测器(9)、Y轴四象限光电探测器(10)、Z轴四象限光电探测器(11)根据光斑所产生的偏移量得出测端球(8)与样品表面接触点的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的坐标参数。

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