CN209961179U - 一种纳米级三维形貌测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及形貌测量仪技术领域，具体地说，涉及一种纳米级三维形貌测量仪。其包括载物台，载物台包括正方体状的载物台主体，载物台主体上表面设有正方形状的运动机构安装槽；运动机构安装槽内设有运动机构，运动机构包括相互正交设置的第一横向位移机构和第二横向位移机构；第一横向位移机构和第二横向位移机构同时与一工件台配合。本实用新型结构较为简单，能够较佳地实现对待测工件的在平面的位置移动。

Description

一种纳米级三维形貌测量仪

技术领域

本实用新型涉及形貌测量仪技术领域，具体地说，涉及一种纳米级三维形貌测量仪。

背景技术

表面形貌是制造产品和科学样件的重要质量特征，直接影响其功能特性；表面形貌测量，对于其功能质量分析和优化具有重要意义。功能结构性表面，如IC表面、MEMS表面、微镜阵列表面等，是一种尺度上微观、结构功能上宏观的特殊表面，具有表面不连续、精度高的特点。微结构尺寸、形位误差等特征参数直接关系到其功能特性、可靠性和稳定性，需要从制造工艺、质量与性能检测等多方面进行保证。微结构尺寸的高精度测量与分析评定，是保障微结构表面功能质量不可或缺的重要技术。

随着制造工艺水平的发展，微纳表面结构特征的精细程度不断提升，分布的空间尺度也不断增大，呈现出微观和宏观尺度两级并行发展的趋势，主要表现两个方面。(1)微元器件的堆叠程度越来越高，结构性表面特征分布的型面跨度不断加大，例如多层次分布的微传感器系统、大曲率半径球面上的微镜阵列等，微纳制件的纵向尺度快速增长，从几十微米倍增至毫米级别。(2)高精度微结构特征在横向尺度上大范围的并行制造、安装和集成，如耦合式的微机械系统、组合微传感器栈等，形成了多样化的大面积规模分布的微纳制造产品。因此，大范围高精度的微结构表面测量技术和仪器是当前微纳产品检测和质量保障的迫切需求。

现有技术中通常采用白光干涉测量法进行形貌测量，其对于台阶、沟槽等结构特征组成的反射信号为主的微纳制件表面，具有稳定性高、抗外界扰动及光源功率变化影响等优点，成为当前最主要的微结构表面测量技术。

根据当前微纳制造工艺的发展水平，纳米精度微结构的纵向分布范围已经从微米级增至毫米级并且呈上升趋势，白光干涉扫描测量的范围需要由亚毫米级上升到几十毫米才能满足实际应用需求，称为大范围表面测量仪器。为了满足纵向大范围测量要求，克服压电陶瓷垂直扫描范围的局限，Zygo、 Taylor-Hobson和华中科技大学均采取了电机驱动和压电陶瓷相结合的粗精两级驱动扫描方法，结合计量系统监控扫描位置。当扫描达到PZT运动极限时， PZT驱动器回程，电机粗驱动到达PZT回程前扫描位置，通过计量系统计算粗精驱动的定位差值，由压电陶瓷驱动器运动补偿后，继续实施精密扫描。

现有基于白光干涉测量法原理的三维形貌测量仪通常需要将待测工件放置于一载物台处，而载物台需要在X-Y平面内自由移动以实现对待测工件的表面扫描。而现有技术中的载物台普遍存在结构较为复杂，控制精度较低的问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种纳米级三维形貌测量仪，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本实用新型的一种纳米级三维形貌测量仪，其包括载物台，载物台包括正方体状的载物台主体，载物台主体上表面设有正方形状的运动机构安装槽；运动机构安装槽内设有运动机构，运动机构包括相互正交设置的第一横向位移机构和第二横向位移机构；

第一横向位移机构包括分别设于运动机构安装槽相对的一对侧壁处的一对第一位移导轨，第一位移导轨处设有第一滑块；第一滑块处设有第一轴承座，第一轴承座间通过第一轴承可转动地设有第一螺杆；位于第一螺杆一端处的第一滑块处设有第一伺服电机和第一减速器，第一伺服电机通过第一减速器带动第一螺杆转动；

第二横向位移机构包括分别设于运动机构安装槽相对的另一对侧壁处的一对第二位移导轨，第二位移导轨处设有第二滑块；第二滑块处设有第二轴承座，第二轴承座间通过第二轴承可转动地设有第二螺杆；位于第二螺杆一端处的第二滑块处设有第二伺服电机和第二减速器，第二伺服电机通过第二减速器带动第二螺杆转动；

第一螺杆和第二螺杆在高度上存在间距，第一螺杆和第二螺杆同时与一工件台螺纹配合。

本实用新型中，通过第一横向位移机构和第二横向位移机构的配合，能够较佳地实现对工件台在平面上的位移，进而能够较佳地实现置于工件台处的待测工件的移动。

通过采用第一螺杆和第二螺杆与工件台螺纹配合的方式，对工件台进行驱动，使得工件台的运行过程更加平稳且能够较佳地提升位移的精度，从而能够较佳地有利于对待测工件表面的扫描。另外，采用将运动机构设于运动机构安装槽内的方式，使得整个载物台的整体结构较为紧凑和简单，故便于设置。

作为优选，第一滑块间位于第一螺杆两侧处均设有第一导向柱，第一导向柱与工件台滑动配合。从而能够较佳地为工件台的运行进行导向，使得工件台的运行更加平稳。

作为优选，第二滑块间位于第二螺杆两侧处均设有第二导向柱，第二导向柱与工件台滑动配合。从而能够较佳地为工件台的运行进行导向，使得工件台的运行更加平稳。

作为优选，第一滑块处设有第一轴承座安装槽，第一轴承座设于第一轴承座安装槽内。从而能够较佳地便于第一轴承座的设置，且使得载物台的整体高度较低，进而使得整体结构更加紧凑。

作为优选，第二滑块处设有第二轴承座安装槽，第二轴承座设于第二轴承座安装槽内。从而能够较佳地便于第二轴承座的设置，且使得载物台的整体高度较低，进而使得整体结构更加紧凑。

作为优选，第一位移导轨和第二位移导轨处均设有连接部，连接部处设有连接通孔；第一位移导轨和第二位移导轨通过设于连接通孔处的螺钉设于运动机构安装槽的对应侧壁处。从能够较佳地实现对第一位移导轨和第二位移导轨的安装。

作为优选，第一滑块对应第一位移导轨处以及第二滑块对应第二位移导轨处均构成用于与第一位移导轨或第二位移导轨配合的导轨安装槽，导轨安装槽内设有滑动单元，相应的滑动单元与第一位移导轨或第二位移导轨共同构成滑动副。从而使得第一滑块和第二滑块能够较佳地与第一位移导轨和第二位移导轨进行滑动配合。

作为优选，工件台对应第一螺杆处设有第一丝杠螺母安装孔，第一丝杠螺母安装孔内过盈配合地设有与第一螺杆配合的第一丝杠螺母；工件台对应第一导向柱处设有第一直线轴承安装孔，第一直线轴承安装孔内过盈配合地设有与第一导向柱配合的第一直线轴承。通过第一丝杠螺母的设置能够较佳地实现工件台由第一螺杆的带动，通过第一直线轴承的设置能够较佳地实现工件台在第一导向柱处的滑动。

作为优选，工件台对应第二螺杆处设有第二丝杠螺母安装孔，第二丝杠螺母安装孔内过盈配合地设有与第二螺杆配合的第二丝杠螺母；工件台对应第二导向柱处设有第二直线轴承安装孔，第二直线轴承安装孔内过盈配合地设有与第二导向柱配合的第二直线轴承。通过第二丝杠螺母的设置能够较佳地实现工件台由第二螺杆的带动，通过第二直线轴承的设置能够较佳地实现工件台在第二导向柱处的滑动。

附图说明

图1为实施例1中的纳米级三维形貌测量仪的原理示意图；

图2为实施例1中的载物台的结构示意图；

图3为实施例1中的运动机构的结构示意图；

图4为实施例1中的第一位移导轨的结构示意图；

图5为实施例1中的第一滑块的结构示意图；

图6为实施例1中的工件台的结构示意图。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本实用新型进行解释而并非限定。

实施例1

结合图1所示，本实施例的一种纳米级三维形貌测量仪包括白光显微干涉光学系统1、伺服驱动系统、激光干涉计量装置3、图像采集系统、PC主控系统5、载物台6和角度调整装置7。其中，待测工件A设于载物台6上方处，载物台6用于带动待测工件A在水平面上进行位置移动；载物台6设于角度调整装置7上方，角度调整装置7用于实现对载物台6的水平度的调节；白光显微干涉光学系统1设于载物台6上方，其用于在待测工件A表面形成干涉；伺服驱动系统用于实现白光显微干涉光学系统1在垂直方向上的移动，图像采集系统用于实现对待测工件A表面所形成干涉图像的采集，激光干涉计量装置3用于实现对所采集干涉图像的处理，PC主控系统5用于实现对伺服驱动系统、激光干涉计量装置3、图像采集系统等的控制。

其中，伺服驱动系统包括伺服驱动器2-1和伺服驱动机构2-2，图像采集系统包括图像采集卡4-1和高速CCD摄像头4-2。

其中，白光显微干涉光学系统1采用现有的Mirau型显微干涉系统，其光学分光系统位于显微镜内部，整体集成为模块化，安装选换方便，仪器系统更加紧凑。所采用的Mirau型显微干涉系统中，经白光光源发出的白光经准直透镜组、反射镜一、反射镜二并穿过分光棱镜进入Mirau显微物镜后，被Mirau显微镜内部的分光系统分成两束光，一束光照射到其内部的参考镜发生反射，通过分光棱镜，经过反射镜和成像透镜后到达高速CCD摄像头4-2；另一束光照射到测量物体表面后发生反射，以同样的光迹到达高速CCD摄像头4-2。两路光在高速CCD摄像头4-2处发干涉，通过采集获得需要的系列图像。

本实施例的一种纳米级三维形貌测量仪在仪器测量启动后，伺服驱动系统依据设定的运动参数驱动白光显微干涉光学系统1做快速连续扫描运动，扫描过程不停机；激光干涉计量装置3

实时监控白光显微干涉光学系统1的运动速度和位移，发送反馈指令给伺服驱动器2-1调控运动信号输出，以保证伺服驱动机构2-2运动的匀速性；与此同时，当垂直扫描每达到设定的图像采集间距时，激光干涉计量装置3外触发图像采集系统进行拍照，获取系列动态曝光的干涉图像，实时发送至主控系统，进行图像分析和处理。

本实施例中，伺服驱动系统、激光干涉计量装置3、图像采集系统、PC主控系统5和角度调整装置7均为现有纳米级三维形貌测量仪的常规部件，故不予赘述。

如图2-6所示，本实施例中的载物台6包括正方体状的载物台主体210，载物台主体210上表面设有正方形状的运动机构安装槽211；运动机构安装槽211 内设有运动机构220，运动机构220包括相互正交设置的第一横向位移机构230 和第二横向位移机构240；

第一横向位移机构230包括分别设于运动机构安装槽211相对的一对侧壁处的一对第一位移导轨231，第一位移导轨231处设有第一滑块232；第一滑块 232处设有第一轴承座233，第一轴承座233间通过第一轴承234可转动地设有第一螺杆235；位于第一螺杆235一端处的第一滑块232处设有第一伺服电机 236和第一减速器237，第一伺服电机236通过第一减速器237带动第一螺杆235 转动；

第二横向位移机构240包括分别设于运动机构安装槽211相对的另一对侧壁处的一对第二位移导轨241，第二位移导轨241处设有第二滑块242；第二滑块242处设有第二轴承座243，第二轴承座243间通过第二轴承244可转动地设有第二螺杆245；位于第二螺杆245一端处的第二滑块242处设有第二伺服电机 246和第二减速器247，第二伺服电机246通过第二减速器247带动第二螺杆245 转动；

第一螺杆235和第二螺杆245在高度上存在间距，第一螺杆235和第二螺杆245同时与一工件台250螺纹配合。

本实施例中，通过第一横向位移机构230和第二横向位移机构240的配合，能够较佳地实现对工件台250在平面上的位移，进而能够较佳地实现置于工件台250处的待测工件的移动。

通过采用第一螺杆235和第二螺杆245与工件台250螺纹配合的方式，对工件台250进行驱动，使得工件台250的运行过程更加平稳且能够较佳地提升位移的精度，从而能够较佳地有利于对待测工件表面的扫描。另外，采用将运动机构220设于运动机构安装槽211内的方式，使得整个载物台6的整体结构较为紧凑和简单，故便于设置。

结合图2和3所示，第一滑块232间位于第一螺杆235两侧处均设有第一导向柱238，第一导向柱238与工件台250滑动配合。从而能够较佳地为工件台 250的运行进行导向，使得工件台250的运行更加平稳。

结合图2和3所示，第二滑块242间位于第二螺杆245两侧处均设有第二导向柱248，第二导向柱248与工件台250滑动配合。从而能够较佳地为工件台 250的运行进行导向，使得工件台250的运行更加平稳。

结合图5所示，第一滑块232处设有第一轴承座安装槽239，第一轴承座 233设于第一轴承座安装槽239内。从而能够较佳地便于第一轴承座233的设置，且使得载物台6的整体高度较低，进而使得整体结构更加紧凑。

结合图5所示，第二滑块242处设有第二轴承座安装槽249，第二轴承座 243设于第二轴承座安装槽249内。从而能够较佳地便于第二轴承座243的设置，且使得载物台6的整体高度较低，进而使得整体结构更加紧凑。

结合图4所示，第一位移导轨231和第二位移导轨241处均设有连接部410，连接部410处设有连接通孔411；第一位移导轨231和第二位移导轨241通过设于连接通孔411处的螺钉设于运动机构安装槽211的对应侧壁处。从能够较佳地实现对第一位移导轨231和第二位移导轨241的安装。

结合图5所示，第一滑块232对应第一位移导轨231处以及第二滑块242 对应第二位移导轨241处均构成用于与第一位移导轨231或第二位移导轨241 配合的导轨安装槽510，导轨安装槽510内设有滑动单元520，相应的滑动单元 520与第一位移导轨231或第二位移导轨241共同构成滑动副。从而使得第一滑块232和第二滑块242能够较佳地与第一位移导轨231和第二位移导轨241进行滑动配合。

结合图6所示，工件台250对应第一螺杆235处设有第一丝杠螺母安装孔 610，第一丝杠螺母安装孔610内过盈配合地设有与第一螺杆235配合的第一丝杠螺母611；工件台250对应第一导向柱238处设有第一直线轴承安装孔620，第一直线轴承安装孔620内过盈配合地设有与第一导向柱238配合的第一直线轴承621。通过第一丝杠螺母611的设置能够较佳地实现工件台250由第一螺杆 235的带动，通过第一直线轴承621的设置能够较佳地实现工件台250在第一导向柱238处的滑动。

结合图6所示，工件台250对应第二螺杆245处设有第二丝杠螺母安装孔 630，第二丝杠螺母安装孔630内过盈配合地设有与第二螺杆245配合的第二丝杠螺母631；工件台250对应第二导向柱248处设有第二直线轴承安装孔640，第二直线轴承安装孔640内过盈配合地设有与第二导向柱248配合的第二直线轴承641。通过第二丝杠螺母631的设置能够较佳地实现工件台250由第二螺杆 245的带动，通过第二直线轴承641的设置能够较佳地实现工件台250在第二导向柱248处的滑动。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种纳米级三维形貌测量仪，其特征在于：包括载物台(6)，载物台(6)包括正方体状的载物台主体(210)，载物台主体(210)上表面设有正方形状的运动机构安装槽(211)；运动机构安装槽(211)内设有运动机构(220)，运动机构(220)包括相互正交设置的第一横向位移机构(230)和第二横向位移机构(240)；

第一横向位移机构(230)包括分别设于运动机构安装槽(211)相对的一对侧壁处的一对第一位移导轨(231)，第一位移导轨(231)处设有第一滑块(232)；第一滑块(232)处设有第一轴承座(233)，第一轴承座(233)间通过第一轴承(234)可转动地设有第一螺杆(235)；位于第一螺杆(235)一端处的第一滑块(232)处设有第一伺服电机(236)和第一减速器(237)，第一伺服电机(236)通过第一减速器(237)带动第一螺杆(235)转动；

第二横向位移机构(240)包括分别设于运动机构安装槽(211)相对的另一对侧壁处的一对第二位移导轨(241)，第二位移导轨(241)处设有第二滑块(242)；第二滑块(242)处设有第二轴承座(243)，第二轴承座(243)间通过第二轴承(244)可转动地设有第二螺杆(245)；位于第二螺杆(245)一端处的第二滑块(242)处设有第二伺服电机(246)和第二减速器(247)，第二伺服电机(246)通过第二减速器(247)带动第二螺杆(245)转动；

第一螺杆(235)和第二螺杆(245)在高度上存在间距，第一螺杆(235)和第二螺杆(245)同时与一工件台(250)螺纹配合。

2.根据权利要求1所述的一种纳米级三维形貌测量仪，其特征在于：第一滑块(232)间位于第一螺杆(235)两侧处均设有第一导向柱(238)，第一导向柱(238)与工件台(250)滑动配合。

3.根据权利要求1所述的一种纳米级三维形貌测量仪，其特征在于：第二滑块(242)间位于第二螺杆(245)两侧处均设有第二导向柱(248)，第二导向柱(248)与工件台(250)滑动配合。

4.根据权利要求1所述的一种纳米级三维形貌测量仪，其特征在于：第一滑块(232)处设有第一轴承座安装槽(239)，第一轴承座(233)设于第一轴承座安装槽(239)内。

5.根据权利要求1所述的一种纳米级三维形貌测量仪，其特征在于：第二滑块(242)处设有第二轴承座安装槽(249)，第二轴承座(243)设于第二轴承座安装槽(249)内。

6.根据权利要求1所述的一种纳米级三维形貌测量仪，其特征在于：第一位移导轨(231)和第二位移导轨(241)处均设有连接部(410)，连接部(410)处设有连接通孔(411)；第一位移导轨(231)和第二位移导轨(241)通过设于连接通孔(411)处的螺钉设于运动机构安装槽(211)的对应侧壁处。

7.根据权利要求1所述的一种纳米级三维形貌测量仪，其特征在于：第一滑块(232)对应第一位移导轨(231)处以及第二滑块(242)对应第二位移导轨(241)处均构成用于与第一位移导轨(231)或第二位移导轨(241)配合的导轨安装槽(510)，导轨安装槽(510)内设有滑动单元(520)，相应的滑动单元(520)与第一位移导轨(231)或第二位移导轨(241)共同构成滑动副。

8.根据权利要求2所述的一种纳米级三维形貌测量仪，其特征在于：工件台(250)对应第一螺杆(235)处设有第一丝杠螺母安装孔(610)，第一丝杠螺母安装孔(610)内过盈配合地设有与第一螺杆(235)配合的第一丝杠螺母(611)；工件台(250)对应第一导向柱(238)处设有第一直线轴承安装孔(620)，第一直线轴承安装孔(620)内过盈配合地设有与第一导向柱(238)配合的第一直线轴承(621)。

9.根据权利要求3所述的一种纳米级三维形貌测量仪，其特征在于：工件台(250)对应第二螺杆(245)处设有第二丝杠螺母安装孔(630)，第二丝杠螺母安装孔(630)内过盈配合地设有与第二螺杆(245)配合的第二丝杠螺母(631)；工件台(250)对应第二导向柱(248)处设有第二直线轴承安装孔(640)，第二直线轴承安装孔(640)内过盈配合地设有与第二导向柱(248)配合的第二直线轴承(641)。

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