The nano-sensor method and device based on contact/non-contact composite principle belongs to precision sensing and measurement technology. The present invention adopts the principle of quantum tunneling and spherical scattering field to sensing the conductor tested. Firstly, the rough measurement results of the aiming gap are obtained by using the principle of spherical scattering field, according to which the aiming gap of the measured object and the micro-sphere is adjusted directly to the tunneling working range, and then through the quantum tunnel. The generation of the penetration effect transforms the aiming gap into sensing signal; for the non-conductor tested object, the contact detection principle is used to sense, and the displacement of the micro-sphere after contacting the measured object is transferred from the elastic transmission mechanism to the sensitive unit and transformed into sensing signal; the invention also provides a nano-sensing device with composite principle; the invention effectively takes nano-resolution into account when measuring the conductor tested object; Three-dimensional isotropic and non-contact sensing characteristics can also be measured for non-conductor objects, which can achieve high resolution measurement of micro-nano/micro structures with large aspect ratio.
【技术实现步骤摘要】
接触/非接触复合原理纳米传感方法与装置
本专利技术属于精密传感与测量
,主要涉及一种接触/非接触复合原理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. ...
【技术保护点】
1.一种接触/非接触复合原理纳米传感方法,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复合原理测头相对被测件的姿态进行调整,使复合原理测头进入瞄准姿态;再用测量驱动机构驱动复合原理测头或被测件,在两者之间的相对距离进入工作区间后,测量驱动机构停止驱动;②A、当被测件为导体时,采用非接触式传感:先用球面散射场传感原理传感,得到被测件和微测球瞄准间隙的粗测结果,根据该粗测结果控制测量驱动机构,使微测球和被测件的瞄准间隙直接进入量子隧穿原理的工作区间内,然后采用量子隧穿传感原理进行传感,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;B、当被测件为非导体时,采用接触探测原理进行传感:测量驱动机构驱动复合原理测头或被测件至微测球接触被测件,此后微测球的位移转换为柔性悬挂机构的变形,该变形通过弹性传递机构传递至敏感单元,敏感单元将位移信号转换为传感信号;③采用复合原理信号检测系统对上述②中A或B传感信号进行检测和处理,根据瞄准间隙和传感信 ...
【技术特征摘要】
1.一种接触/非接触复合原理纳米传感方法,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复合原理测头相对被测件的姿态进行调整,使复合原理测头进入瞄准姿态;再用测量驱动机构驱动复合原理测头或被测件,在两者之间的相对距离进入工作区间后,测量驱动机构停止驱动;②A、当被测件为导体时,采用非接触式传感:先用球面散射场传感原理传感,得到被测件和微测球瞄准间隙的粗测结果,根据该粗测结果控制测量驱动机构,使微测球和被测件的瞄准间隙直接进入量子隧穿原理的工作区间内,然后采用量子隧穿传感原理进行传感,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;B、当被测件为非导体时,采用接触探测原理进行传感:测量驱动机构驱动复合原理测头或被测件至微测球接触被测件,此后微测球的位移转换为柔性悬挂机构的变形,该变形通过弹性传递机构传递至敏感单元,敏感单元将位移信号转换为传感信号;③采用复合原理信号检测系统对上述②中A或B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、纳米分辨力传感与测量。2.一种接触/非接触复合原理纳米传感装置,包括复合原理测头(1)、复合原理信号处理系统(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:所述复合原理测头(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)、柔性悬挂机构(19)、弹性传递机构(20)、敏感单元(21)和信号线(22)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(22)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...
【专利技术属性】
技术研发人员:崔俊宁,边星元,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
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