CN117629067A - 基于探针干涉的三维微接触测头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于探针干涉的三维微接触测头，包括探测组件、悬挂组件和传感单元，探测组件的下端形成测球，测球用于与样品表面相接触；悬挂组件将探测组件悬挂在空中；测球不受外力时，悬挂组件使探测组件的水平基准面保持水平；测球受外力时，悬挂组件限制探测组件只能沿中心轴线的方向上下移动或以转动中心为中心转动。上述三维微接触测头，可实现兼顾高精度、高动态特性的三维传感测量；通过优化设计，可实现三轴分辨力及刚度各向同性；传感单元和探测组件的分离式设计，使测头具备探测组件的互换性，可根据被测对象灵活更换具有不同尺寸和型号的测针的探测单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于探针干涉的三维微接触测头，属于计量检测技术领域。
背景技术
目前，在微纳尺度三维测量中常用的测量手段包括扫描探针显微镜、共聚焦显微镜、白光干涉显微镜及微纳坐标测量机等。其中，扫描探针显微镜受扫描器行程、探针尺寸等限制，测量范围较小(一般为几微米)，难以满足较大尺寸结构的测量需求；共聚焦、白光干涉等光学方法由于受光学衍射极限、光学反射率等因素影响，其横向分辨力较低(一般为百纳米量级)，且难以实现侧壁及边沿结构的测量，测量结果也易受样品表面特性影响。
而，微纳坐标测量技术，可克服测量范围、测量精度之间的矛盾，同时具备三维方向的探测和传感能力，可实现真正意义上的3D测量，是目前解决微纳尺度三维测量问题相对有效的手段。
微纳坐标测量传统所使用的测头，使用电容、压阻、压电等原理，结构简单，体积小，分辨力高，但其传感机构均设置在悬臂上，受测头结构和悬挂设计影响，存在三轴分辨力及刚度不一致、探测单元难以实现互换性等问题。此外，传感器的非线性、温漂等也是影响其测量精度的重要因素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中的微纳坐标测量传统所使用的测头三轴分辨力及刚度不一致、探测单元难以实现互换性、测量精度低的缺陷，而提供一种基于探针干涉的三维微接触测头。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：
本发明提供一种基于探针干涉的三维微接触测头，包括探测组件、悬挂组件，探测组件的下端形成测球，测球用于与样品表面相接触；探测组件的上端设有位移探测点；探测组件形成一水平基准面，位移探测点与测球的中心之间的连线形成中心轴线，中心轴线垂直于水平基准面，中心轴线与水平基准面的交点为转动中心；悬挂组件将探测组件悬挂在空中；测球不受外力时，悬挂组件使探测组件的水平基准面保持水平；测球受外力时，悬挂组件限制探测组件只能沿中心轴线的方向上下移动或以转动中心为中心转动。
在本技术方案中，当测球在样品的表面移动时，测球会根据样品的表面的形状发生位移，从而带动与测球刚性连接的位移探测点产生相对的位移，可以根据位移探测点的位移，计算出测球的位移，从而获得样品的表面的形貌数据以及关键尺寸的三维测量结果。
较佳地，探测组件包括中心连接体和测针，中心连接体与悬挂组件相连接；测针固定在中心连接体的下方，测球形成于测针的下端。
在本技术方案中，由于测针较为细长，使测球可深入至各种不同的样品内，以满足各种不同形状的样品的测量需求。
较佳地，测针靠近测球的一端形成一段细杆，细杆的直径小于测球的直径。
在本技术方案中，测针靠近测球的一端形成一段细杆，细杆的直径小于测球的直径，使测球在样品表面移动时，细杆不会碰到样品的表面，使测球的位移可以与样品的表面的形貌数据准确对应。
较佳地，探测组件包括中心连接体和检测块，悬挂组件将中心连接体悬挂在空中；检测块固定在中心连接体的上方，位移探测点为检测块的中心点；三维微接触测头还包括若干传感单元，传感单元环绕检测块设置，传感单元用于检测位移探测点的位移变化。
在本技术方案中，传感单元可以实时检测检测块的位移，获得位移探测点的位移，从而可以计算出测球的位移，获得样品的表面的形貌数据以及关键尺寸。
较佳地，探测组件还包括支撑杆，支撑杆连接中心连接体和检测块。
在本技术方案中，支撑杆的轴线均与中心轴线相重合，可保证探测组件整体的平衡性。
较佳地，检测块的表面设有三块反射镜，三块反射镜相互垂直；传感单元的数量为三个，三个传感单元分别为X轴激光干涉仪、Y轴激光干涉仪和Z轴激光干涉仪，X轴激光干涉仪、Y轴激光干涉仪和Z轴激光干涉仪的光轴分别与三块反射镜垂直，X轴激光干涉仪、Y轴激光干涉仪和Z轴激光干涉仪的光轴的交点与位移探测点相重合。
在本技术方案中，采用三个方向的激光干涉仪检测检测块的反射镜的位置变化，可实现高精度的位移传感；借助激光干涉这一非接触的传感方式，可将传感单元和探测组件进行分离式设计，根据被测对象灵活更换探测组件，实现探测组件的互换性。
较佳地，位移探测点与转动中心之间的距离等于测球的中心至转动中心之间的距离。
在本技术方案中，位移探测点与转动中心之间的距离等于测球的中心至转动中心之间的距离，测球的位移与位移探测点的位移相等，测头的三轴分辨力趋于一致，可达到各向同性。
较佳地，悬挂组件包括悬挂框和若干悬梁，悬挂框固定在空中，探测组件位于悬挂框的中间，悬梁连接悬挂框与探测组件。
在本技术方案中，当测球不受外力时，悬梁拉住探测组件，使探测组件的水平基准面保持水平；测球受外力时，悬梁发生变形，由于悬梁环绕探测组件设置，探测组件只能沿中心轴线的方向上下移动或以转动中心为中心转动。
较佳地，探测组件包括中心连接体，中心连接体以转动中心为对称中心；悬梁连接悬挂框的内边缘与中心连接体的外边缘，若干悬梁的长度相等，若干悬梁环绕中心连接体的对称中心均匀分布。
在本技术方案中，通过上述结构设置，可以使悬梁对中心连接体施加均匀的作用力，保证了中心连接体只能沿中心轴线的方向上下移动或以转动中心为中心转动，从而保证了与中心连接体刚性固定连接的测球、检测块的运动轨迹，保证了检测块的位移与测球的位移对应的准确性。
较佳地，悬挂框、中心连接体和若干悬梁通过弹性材料加工一体成型。
在本技术方案中，悬挂框、中心连接体和若干悬梁通过弹性材料加工一体成型，可以较好地解决测头三轴刚度各向同性问题。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
上述基于探针干涉的三维微接触测头，可实现兼顾高精度、高动态特性的三维传感测量；通过优化设计，实现了三轴分辨力及刚度各向同性；传感单元和探测组件的分离式设计，使测头具备探测组件的互换性，可根据被测对象灵活更换具有不同尺寸和型号的测针的探测单元。
附图说明
图1为本发明基于探针干涉的三维微接触测头的结构示意图。
图2为图1所示的三维微接触测头的测针、测球的结构示意图。
图3为图1所示的三维微接触测头的X轴激光干涉仪、Y轴激光干涉仪和Z轴激光干涉仪的原理示意图。
图4为图1所示的三维微接触测头的悬挂框、中心连接体和悬梁的结构示意图。
图5为图1所示的三维微接触测头受轴向负载的示意图。
图6为图1所示的三维微接触测头受横向负载的示意图。
附图标记说明
探测组件1
测球11
位移探测点12
中心轴线13
水平基准面14
转动中心15
中心连接体16
测针17
细杆171
粗杆172
检测块18
反射镜181
支撑杆19
悬挂组件2
悬挂框21
悬梁22
传感单元3
X轴激光干涉仪31
Y轴激光干涉仪32
Z轴激光干涉仪33
双频激光器1a
四分之一波长片I1b
析光镜1c
角锥棱镜1d
偏振分光镜1e
聚焦透镜组1f
第一反射面1g
第二反射镜1h
四分之一波长片II1i
四分之一波长片III1j
样品100
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
图1至图6所示为本发明基于探针干涉的三维微接触测头的一实施例。该三维微接触测头，包括探测组件1、悬挂组件2，探测组件1的下端形成测球11，测球11用于与样品100表面相接触；探测组件1的上端设有位移探测点12，探测组件1能检测出位移探测点12的位移；探测组件1形成一水平基准面14，位移探测点12与测球11的中心之间的连线形成中心轴线13，中心轴线13垂直于水平基准面14，中心轴线13与水平基准面14的交点为转动中心15；悬挂组件2将探测组件1悬挂在空中；测球11不受外力时，悬挂组件2使探测组件1的水平基准面14保持水平；测球11受外力时，悬挂组件2限制探测组件1只能沿中心轴线13的方向上下移动或以转动中心15为中心转动。
当测球11在样品100的表面移动时，测球11会根据样品100的表面的形状发生位移，从而带动与测球11刚性连接的位移探测点12产生相对的位移。由于位移探测点12的位移可测量，因此，可以根据位移探测点12的位移，计算出测球11的位移，从而获得样品100的表面的形貌数据以及关键尺寸的三维测量结果。
当使用该三维微接触测头对样品100的表面进行测量时，如图5所示，若测球11在样品100的表面移动受到轴向负载时，产生沿中心轴线13的方向上升的位移Δy时，位移探测点12也会发生相对位移Δy’，Δy’等于Δy。
如图6所示，若测球11移动至样品100的边缘，受横向负载时，测球11的位移Δx与位移探测点12的位移Δx’之间的关系可通过公式(1)获得
Δx’＝l2/l1*Δx (1)
其中，位移探测点12与转动中心15之间的距离l2最好等于测球11的中心至转动中心15之间的距离l1。当l1＝l2时，测球11的位移Δx与位移探测点12的位移Δx’相等。此时，测头的三轴分辨力趋于一致，可达到各向同性。
如图1至图2所示，探测组件1包括中心连接体16、测针17，中心连接体16与悬挂组件2相连接；测针17固定在中心连接体16的下方，测球11形成于测针17的下端。
由于测针17较为细长，使测球11可深入至各种不同的样品内，以满足各种不同形状的样品的测量需求。
其中，测针17靠近测球11的一端形成一段细杆171，细杆171的直径小于测球11的直径，使测球11在样品表面移动时，细杆171不会碰到样品100的表面，使测球11的位移可以与样品100的表面的形貌数据准确对应。
其中，测针17靠近中心连接体16的一端形成一段粗杆172，粗杆172的直径大于细杆171的直径。由于粗杆172远离测球11，粗杆172不具有碰到样品100的可能性，粗杆172的粗细不会对测球11的位移产生影响。因此，将粗杆172的直径设计为较粗，可以提高测针17整体的强度，避免测针17因受力而发生较大的弯曲。
为了保证探测组件1整体的平衡性，测针17的轴线最好与中心轴线13相重合。
其中，细杆171、粗杆172，一般由碳化钨材料加工而成，测球11可采用红宝石或氮化硅材料。在其他的实施例中，测针17的形状和材料，也可采用其他设计，尺寸和刚度满足探测需求即可。
如图1至图2所示，该探测组件1还包括检测块18，检测块18固定在中心连接体16的上方，位移探测点12为检测块18的中心点；该三维微接触测头还包括若干传感单元3，传感单元3环绕检测块18设置，传感单元3用于检测位移探测点12的位移变化。传感单元3可以实时检测检测块18的位移，获得位移探测点12的位移，从而可以计算出测球11的位移，获得样品100的表面的形貌数据以及关键尺寸。
其中，探测组件1还包括支撑杆19，支撑杆19连接中心连接体16和检测块18，支撑杆19的轴线与中心轴线13相重合。支撑杆19、测针17相对于中心连接体16大致呈对称分布，支撑杆19、测针17的轴线均与中心轴线13相重合，可保证探测组件1整体的平衡性。
如图1所示，检测块18的表面设有三块反射镜181，三块反射镜181相互垂直；传感单元3的数量为三个，三个传感单元分别为X轴激光干涉仪31、Y轴激光干涉仪32和Z轴激光干涉仪33，X轴激光干涉仪31、Y轴激光干涉仪32和Z轴激光干涉仪33的光轴分别与三块反射镜181垂直，X轴激光干涉仪31、Y轴激光干涉仪32和Z轴激光干涉仪33的光轴的交点与位移探测点12相重合。
激光干涉仪是一种极佳的位移测量仪，采用三个方向的激光干涉仪检测检测块18的反射镜181的位置变化，可实现高精度的位移传感。借助激光干涉这一非接触的传感方式，可将传感单元3和探测组件1进行分离式设计，根据被测对象灵活更换探测组件1，实现探测组件1的互换性。
以Z轴激光干涉仪33为例，阐述X轴激光干涉仪31、Y轴激光干涉仪32和Z轴激光干涉仪33这三个激光干涉仪的结构及原理。
如图3所示，双频激光器1a输出频率为f1和f2的圆偏振光，经四分之一波长片I1b后成为相互垂直的线偏振光，一部分光通过析光镜1c反射后作为参考光Ref(f1+f2)，另一部分光经偏振分光镜1e后分为f1光和f2光，f2光透过偏振分光镜1e，经聚焦透镜组1f聚焦到第一反射面1g。当第一反射面1g产生微位移时，由于多普勒效应，返回光频率变为f2±Δf，返回光与经角锥棱镜1d反射的f2光再度汇合，经第二反射镜1h反射后成为测量光Meas(f1+f2±Δf)，将测量光与参考光相减即可得到Δf。Δf为多普勒频移，它含有第一反射面1g的运动速度信息，通过速度与时间的积分，即可得到位移信息。四分之一波长片II1i、四分之一波长片III1j作为检偏器，用于调节光束的偏振状态。
其中，速度及位移信息的计算公式如下：
其中，v为运动速度，λ为激光波长。
其中，s为位移，N为探测系统记录的累计脉冲数。
如图1和图4所示，悬挂组件2包括悬挂框21和若干悬梁22，悬挂框21固定在空中，探测组件1位于悬挂框21的中间，悬梁22连接悬挂框21与探测组件1。悬挂框21被其它部件固定在空中，悬梁22将探测组件1悬挂在悬挂框21的中间。当测球11不受外力时，悬梁22拉住探测组件1，使探测组件1的水平基准面14保持水平；测球11受外力时，悬梁22发生变形，由于悬梁22环绕探测组件1设置，探测组件1只能沿中心轴线13的方向上下移动或以转动中心15为中心转动。
具体而言，中心连接体16为对称中心体，比如正方形板，以转动中心15为对称中心；悬梁22连接悬挂框21的内边缘与中心连接体16的外边缘，若干悬梁22的长度相等，若干悬梁22环绕中心连接体16的对称中心均匀分布。通过上述结构设置，可以使悬梁22对中心连接体16施加均匀的作用力，保证了中心连接体16只能沿中心轴线13的方向上下移动或以转动中心15为中心转动，从而保证了与中心连接体16刚性固定连接的测球11、检测块18的运动轨迹，保证了检测块18的位移与测球11的位移对应的准确性。
如图4所示，悬挂框21、中心连接体16和若干悬梁22通过弹性材料加工一体成型。比如，悬挂框21、中心连接体16和若干悬梁22，可采用体硅MEMS工艺加工，对整块硅材料的刻蚀一体成型，加工出所需结构；或者采用铍铜合金等弹性较好的材料加工出符合要求的悬挂结构。
测头三轴刚度各向同性问题，可通过优化悬挂框21、悬梁22的拓扑设计，悬梁22的长度、厚度等参数实现。
上述三维微接触测头，能够实现样品的微结构表面形貌及关键尺寸的三维测量，具有高分辨力、低测量力的特点。根据当前的技术水平，该三维微接触测头的三轴分辨力可达到优于10nm，三轴刚度达到mN量级。该三维微接触测头，可与定位平台集成，构建微纳尺度的三坐标测量机，也可单独作为微位移或微力传感器使用，可用于半导体、超精密加工、MEMS等技术领域，助力战略性新兴产业的发展，具有高度的产业利用价值。
本发明不局限于上述实施方式，不论在其形状或结构上作任何变化，均落在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的，本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于探针干涉的三维微接触测头，其特征在于，包括：
探测组件，所述探测组件的下端形成测球，所述测球用于与样品表面相接触；所述探测组件的上端设有位移探测点；
所述探测组件形成一水平基准面，所述位移探测点与所述测球的中心之间的连线形成中心轴线，所述中心轴线垂直于所述水平基准面，所述中心轴线与所述水平基准面的交点为转动中心；
悬挂组件，所述悬挂组件将所述探测组件悬挂在空中；所述测球不受外力时，所述悬挂组件使所述探测组件的水平基准面保持水平；所述测球受外力时，所述悬挂组件限制所述探测组件只能沿所述中心轴线的方向上下移动或以所述转动中心为中心转动。
2.如权利要求1所述的三维微接触测头，其特征在于，所述探测组件包括：
中心连接体，所述中心连接体与所述悬挂组件相连接；
测针，所述测针固定在所述中心连接体的下方，所述测球形成于所述测针的下端。
3.如权利要求2所述的三维微接触测头，其特征在于：所述测针靠近测球的一端形成一段细杆，所述细杆的直径小于所述测球的直径。
4.如权利要求1所述的三维微接触测头，其特征在于，所述探测组件包括中心连接体和检测块，所述悬挂组件将所述中心连接体悬挂在空中；所述检测块固定在所述中心连接体的上方，所述位移探测点为所述检测块的中心点；
所述三维微接触测头还包括若干传感单元，所述传感单元环绕所述检测块设置，所述传感单元用于检测所述位移探测点的位移变化。
5.如权利要求4所述的三维微接触测头，其特征在于：所述探测组件还包括支撑杆，所述支撑杆连接所述中心连接体和所述检测块。
6.如权利要求4所述的三维微接触测头，其特征在于：所述检测块的表面设有三块反射镜，三块反射镜相互垂直；所述传感单元的数量为三个，三个传感单元分别为X轴激光干涉仪、Y轴激光干涉仪和Z轴激光干涉仪，所述X轴激光干涉仪、Y轴激光干涉仪和Z轴激光干涉仪的光轴分别与三块反射镜垂直，所述X轴激光干涉仪、Y轴激光干涉仪和Z轴激光干涉仪的光轴的交点与所述位移探测点相重合。
7.如权利要求1所述的三维微接触测头，其特征在于：所述位移探测点与所述转动中心之间的距离等于所述测球的中心至所述转动中心之间的距离。
8.如权利要求1至7任一项所述的三维微接触测头，其特征在于：所述悬挂组件包括悬挂框和若干悬梁，所述悬挂框固定在空中，所述探测组件位于所述悬挂框的中间，所述悬梁连接所述悬挂框与所述探测组件。
9.如权利要求8所述的三维微接触测头，其特征在于：所述探测组件包括中心连接体，所述中心连接体以所述转动中心为对称中心；所述悬梁连接所述悬挂框的内边缘与所述中心连接体的外边缘，若干悬梁的长度相等，若干悬梁环绕所述中心连接体的对称中心均匀分布。
10.如权利要求9所述的三维微接触测头，其特征在于：所述悬挂框、中心连接体和若干悬梁通过弹性材料加工一体成型。
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| CN202311628512.8A CN117629067A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 基于探针干涉的三维微接触测头 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311628512.8A CN117629067A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 基于探针干涉的三维微接触测头 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117629067A true CN117629067A (zh) | 2024-03-01 |
Family
ID=90031736
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311628512.8A Pending CN117629067A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 基于探针干涉的三维微接触测头 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN117629067A (zh) |
-
2023
- 2023-11-30 CN CN202311628512.8A patent/CN117629067A/zh active Pending
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