基于三维量子隧穿的非接触亚纳米传感方法与装置制造方法及图纸

基于三维量子隧穿的非接触亚纳米传感方法与装置属于精密传感与测量技术；本发明专利技术针对导体被测物采用三维量子隧穿原理传感，首先将被测物和微测球的瞄准间隙调整至隧穿工作区间，再采用偏置电场发生系统产生偏置电压加载在微测球和被测件之间形成偏置电场，然后通过量子隧穿效应的产生将瞄准间隙转化为传感信号，尔后通过隧穿信号检测系统以亚纳米分辨力提取瞄准间隙信息；本发明专利技术还提供了一种传感装置；本发明专利技术有效兼顾了亚纳米分辨力、三维各向同性和非接触式传感特性，可实现大深宽比微纳/微小结构的高分辨力测量。

Non-contact sub-nano sensing method and device based on three-dimensional quantum tunneling

The non-contact sub-nano sensing method and device based on three-dimensional quantum tunneling belongs to precision sensing and measurement technology; the present invention adopts three-dimensional quantum tunneling principle sensing for conductor measured object, first adjusts the aiming gap between the object and the micro-sphere to the tunneling working range, and then uses bias electric field generation system to generate bias voltage to load between the micro-sphere and the measured object to form bias electricity. Fields are then transformed into sensing signals by the generation of quantum tunneling effect, and then the information of aiming gap is extracted by sub-nano resolution through the tunneling signal detection system; the invention also provides a sensing device; the invention effectively takes into account sub-nano resolution, three-dimensional isotropy and non-contact sensing characteristics, and can achieve high aspect ratio micro-nano/micro structure. Resolution measurement.

【技术实现步骤摘要】
基于三维量子隧穿的非接触亚纳米传感方法与装置
本专利技术属于精密传感与测量
，主要涉及一种基于三维量子隧穿的非接触亚纳米传感方法与装置。
技术介绍
随着当前精密加工制造水平的日益提高，具有大深宽比特征的微纳/微小结构在尖端
得到应用，用于此类结构精密测量的传感方法与传感测头随之成为当前研究热点。高分辨力与瞄准精度、三维各向同性和无损伤快速测量能力是实现大深宽比结构高精度测量的关键要素。然而，将现有的精密测头及传感技术方案应用到具有大深宽比特征的结构测量时，很难实现亚纳米级高分辨力、三维各向同性、大深宽比测量能力和无损伤测量特性的有效兼顾和高精度测量。目前，现有的精密测头及传感技术方案根据基本原理可分为三种类型：即微力接触式测量方案、扫描探针方案和聚焦光探针方案。微力接触式测量方案很难同时获得匹配的垂直于测杆的二维平面内和轴向敏感特性，测头姿态误差等问题较为突出，很难实现真正三维测量，且由于测力变形与损伤的存在其动态特性差，无法实现无损伤快速测量；扫描探针与聚焦光探针一般只具有一维敏感特性，不具有实现横向高分辨的潜力，配合运动扫描最多只能实现二维半测量，不具有真正三维测量能力。因此，针对大深宽比结构的测量，亟需提出一种兼具亚纳米级高分辨力、真正三维、大深宽比测量能力和非接触测量特征的传感技术方案。针对该问题，哈尔滨工业大学提出一种基于球面散射电场原理的传感测量方法(1.Ultraprecision3Dprobingsystembasedonsphericalcapacitiveplate.SensorsandActuatorsA:Physical,2010；2.基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，中国专利号：ZL200910072143.2)。该传感技术方案的技术特点为：(1)首次将球面散射电场原理应用于金属测球使其作为球形电容极板实现了非接触式测量，使该测头具有了无损伤快速测量的能力；(2)该技术方案的传感特性与金属测球的直径关系密切，随着金属测球直径减小其传感分辨力随之变差；目前已工程实现的最小测球直径为500μm，目前尚无法测量微纳尺度的大深宽比结构。重庆理工大学提出一种基于隧道效应的纳米位移传感器方案(一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，中国专利号：ZL201010101154.1)。该方案的技术特点为：(1)该方案是一种微力接触式测量方案，测量过程中测头接触被测物体，通过导杆将待测面表面的垂向高度变化传递至探针与石墨块的间距上，并利用一维隧道效应原理将探针与石墨块的间距作为敏感单元进行传感，可以实现垂向纳米级的高分辨力；(2)由于该传感技术方案采用的是探针，只具备垂向高分辨力测量能力，基本不具备水平向测量能力，即只具有垂向一维测量能力而不具有三维测量能力，故无法测量大深宽比微小结构尺寸参数和水平向几何参数；(3)由于测头与被测件需要接触才能使探针和石墨块间发生隧道效应，存在划伤待测面和测头的风险，则该接触式传感技术方案动态特性较差，很难实现快速无损伤测量；(4)与所有接触式测头一样，测杆长度增大其测量力变形会不可避免地引入误差导致精度下降。德国埃尔朗根-纽伦堡大学的学者提出一种基于肖特基辐射效应的传感测量方案(1.Schottkyemissioneffectinsurfacetopography:Methodandapplication.InternationalJournalofNanomanufacturing,2011；2.Electricalprobingfordimensionalmicrometrology.CIRPJournalofManufacturingScienceandTechnology,2008)。该传感技术方案的技术特点为：(1)该方案采用肖特基辐射效应作为传感原理，为非接触式传感原理，理论上可以实现无损伤快速测量；(2)该研究文献是一个原理性的初步探索，测头是采用实心金属棒与金属球直接焊接构成，未针对大深宽比结构的测量给出完整、具体的技术解决方案，未给出测头机械结构、信号传输和屏蔽干扰等的技术方案，无法实现大深宽比结构的实际工程测量。综上，通过传感测量方法与装置的创新，提供一种有效兼顾传感的亚纳米分辨力、三维各向同性、大深宽比测量能力和无损伤快速测量能力的传感技术方案，对大深宽比微纳/微小结构的精密测量具有重大意义。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对上述现有技术的大深宽比微纳/微小结构精密测量存在的问题，提供一种基于三维量子隧穿的非接触亚纳米传感方法与装置，以期实现传感的亚纳米分辨力、三维各向同性特性、大深宽比和无损伤快速测量能力的有效兼顾。本专利技术的技术解决方案是：一种基于三维量子隧穿的非接触亚纳米传感方法，所述传感方法包括以下步骤：①采用测头姿态调整机构对隧穿测头相对被测件的姿态进行调整，使隧穿测头进入瞄准姿态；再用测量驱动机构驱动隧穿测头或被测件，在两者之间的相对距离进入隧穿工作区间后，测量驱动机构停止驱动；②采用偏置电场发生系统产生偏置电压加载在微测球和被测件之间形成偏置电场，尔后通过对偏置电场的调整和控制，使微测球和被测件之间发生三维量子隧穿效应，将微测球与被测件之间的瞄准间隙转化为传感信号；③采用隧穿信号检测系统对上述②中传感信号进行检测和处理，根据瞄准间隙和传感信号之间对应关系的模型，以亚纳米分辨力提取微测球和被测件之间的瞄准间隙信息，实现三维、亚纳米分辨力传感与测量。一种基于三维量子隧穿的非接触亚纳米传感装置，包括隧穿测头、隧穿信号处理系统、测头姿态调整机构、防撞安全保护机构、测量驱动机构，所述隧穿测头由微测球、信号传输机构、屏蔽机构、装卡机构、信号连接器、绝缘部件和信号线构成，所述微测球与信号传输机构的下端相连接，信号传输机构的上端通过信号线与信号连接器相连，信号传输机构的主体位于屏蔽机构中，屏蔽机构装配在装卡机构上，在屏蔽机构内配装绝缘部件，信号连接器连接信号传输电缆，屏蔽机构、装卡机构和信号连接器的外壳与信号传输电缆的屏蔽层无缝连接；所述隧穿信号处理系统由偏置电场发生系统、隧穿信号检测系统、限流单元、通信电缆和仪器主控计算机构成，所述偏置电场发生系统和隧穿信号检测系统通过通信电缆分别与仪器主控计算机连接；隧穿测头的信号连接器、限流单元、隧穿信号检测系统、偏置电场发生系统、被测件通过信号传输电缆依次串接，构成传感信号检测回路；隧穿测头装配在所述测头姿态调整机构上，所述测头姿态调整机构与所述防撞安全保护机构固定装配，测量驱动机构安装在防撞安全保护机构或被测件上。本专利技术的技术创新性及产生的良好技术效果在于：(1)采用三维量子隧穿原理实现精密传感，同时实现了亚纳米分辨力和非接触测量能力，在微测球直径小至1μm时仍能保证亚纳米分辨力传感特性不变从而显著降低了最小可测量尺寸；采用非接触测量方式可实现无损伤快速测量，而且避免了摩擦、磨损及损伤待测件，避免测量力变形制约测量精度与可测深宽比的问题，保证了测头的动态特性；(2)该传感技术方案可实现三维各向同性特性传感从而具备了三维测量能力，不仅可以测量微纳/微小大深宽比结构的形状/形貌特征，更可以测量垂直深度、横向尺寸、空间坐标的几何参数的测量，具备各向同性、三维亚纳米分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维量子隧穿的非接触亚纳米传感方法，其特征在于：所述传感方法包括以下步骤：①采用测头姿态调整机构对隧穿测头相对被测件的姿态进行调整，使隧穿测头进入瞄准姿态；再用测量驱动机构驱动隧穿测头或被测件，在两者之间的相对距离进入隧穿工作区间后，测量驱动机构停止驱动；②采用偏置电场发生系统产生偏置电压加载在微测球和被测件之间形成偏置电场，尔后通过对偏置电场的调整和控制，使微测球和被测件之间发生三维量子隧穿效应，将微测球与被测件之间的瞄准间隙转化为传感信号；③采用隧穿信号检测系统对上述②中传感信号进行检测和处理，根据瞄准间隙和传感信号之间对应关系的模型，以亚纳米分辨力提取微测球和被测件之间的瞄准间隙信息，实现三维、亚纳米分辨力传感与测量。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维量子隧穿的非接触亚纳米传感方法，其特征在于：所述传感方法包括以下步骤：①采用测头姿态调整机构对隧穿测头相对被测件的姿态进行调整，使隧穿测头进入瞄准姿态；再用测量驱动机构驱动隧穿测头或被测件，在两者之间的相对距离进入隧穿工作区间后，测量驱动机构停止驱动；②采用偏置电场发生系统产生偏置电压加载在微测球和被测件之间形成偏置电场，尔后通过对偏置电场的调整和控制，使微测球和被测件之间发生三维量子隧穿效应，将微测球与被测件之间的瞄准间隙转化为传感信号；③采用隧穿信号检测系统对上述②中传感信号进行检测和处理，根据瞄准间隙和传感信号之间对应关系的模型，以亚纳米分辨力提取微测球和被测件之间的瞄准间隙信息，实现三维、亚纳米分辨力传感与测量。2.一种基于三维量子隧穿的非接触亚纳米传感装置，包括隧穿测头(1)、隧穿信号处理系统(2)、测头姿态调整机构(3)、防撞安全保护机构(4)、测量驱动机构(5)，其特征在于：所述隧穿测头(1)由微测球(6)、信号传输机构(7)、屏蔽机构(8)、装卡机构(9)、信号连接器(10)、绝缘部件(18)和信号线(19)构成，所述微测球(6)与信号传输机构(7)的下端相连接，信号传输机构(7)的上端通过信号线(19)与信号连接器(10)相连，信号传输机构(7)的主体位于屏蔽机构(8)中，屏蔽机构(8)装配在装卡机构(9)上，在屏蔽机构(8)内配装绝缘部件(18)，信号连接器(10)连接信号传输电缆(11)，屏蔽机...

【专利技术属性】
技术研发人员：边星元，崔俊宁，陆叶盛，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23