三维微纳米测量探头制造技术

本发明专利技术公开了一种高精度大量程三维微纳米测量探头，其特征是利用支撑件固定连接测头单元和测量单元，其测头单元设置有双层悬浮结构，前端悬浮结构设置一平面反射镜，并安装一测量探针，后端悬浮结构固定有挡光刀片，并通过一连接探杆与前端悬浮结构相连；测量单元设置一分光棱镜将光源光束分为反射光与透射光，反射光光强由于挡光刀片的Z向联动产生变化并照射在第一四象限探测器上，透射光经三块平面反射镜的反射照射在第二四象限探测器上；利用第一四象限探测器和第二四象限探测器输出的检测信号实现对平面反射镜的位移和二维角度的测量。本发明专利技术能获得高精度、高灵敏度，大量程、小测力和稳定性高的探测效果。

【技术实现步骤摘要】
三维微纳米测量探头
本专利技术涉及三维微纳米测量领域，更具体的说是一种应用在纳米三坐标测量机上的高精度大量程三维微纳米测量探头，可以感测物体表面的三维形貌。
技术介绍
随着纳米技术的日新月异，各行各业都+竞相展开了器件微小型化的技术革命，尺寸介于毫米和微米之间的微型器件相继问世。尤其是微机电系统MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)器件加工技术的飞速发展，出现了各种以纳米量级为标准的微小器件。如微型涡轮、微型针阵列、齿轮驱动的微型马达、微型透镜、微型喷嘴和微型齿轮等等MEMS产品。这些微型器件的几何结构日趋复杂，且几何尺寸几乎接近微纳米量级，实际加工中所允许的公差尺寸越来越小，加工精细度要求极高。因此，要对这一些微型器件进行精密测量，保证MEMS器件的加工质量，在实践中就迫切需要具有纳米量级精度的三坐标测量机。纳米三坐标测量机主要由具有纳米定位测量功能的三维运动平台和具有感测功能的探头两部分组成。探头部分是三坐标测量机的重要核心部件之一，探头的精度很大程度上决定了三坐标测量机整体的测量精度。探头分为接触式探头和非接触式探头两大类，接触式探头可以用来测量非接触式探头所不能测量的具有斜面、台阶、深孔、圆弧等特征的工件。接触式探头又分为接触触发式探头和接触扫描式探头两种。其中，接触触发式探头是指探头本身只起触发作用，即当测球接触到被测工件时，探头系统马上输出反馈信号给机台运动控制系统使机台停下来，工件的具体尺寸是靠机台的三轴测量系统来给出的，探头本身并不具有测量功能，这种形式的探头不能单独使用，必须与机台一起工作。而接触扫描式探头除了具备接触触发式探头的功能外，还具有测量功能，可以直接对工件进行感测并给出测量结果。目前已经公布的接触式探头主要以接触触发式为主，比如美国国家标准与技术研究院、英国国家物理实验室、东京大学、台湾大学、天津大学、合肥工业大学等机构公布的探头。接触扫描式探头主要包括德国联邦物理研究院PTB、荷兰Eindhoven工业大学、瑞士联邦计量鉴定局METAS公布的探头。PTB的测头由硅膜和测杆组成。当测杆的端部受到外力作用的时候，导致硅膜变形，通过硅膜上的压阻变化检测出测头端部的位移和力的大小，该探头采用24个压阻检测的方式，提高了检测灵敏度，降低了测头对温度的影响，但其采用薄膜结构使应力分布不均匀，硅膜结构比较容易断裂。荷兰Eindhoven大学开发的基于应变计的三维微接触式传感测头，应变计与电路和弹性元件一起通过沉淀、制版、刻蚀等工艺后被制作成一个整体，测头各个方向的力和位移的变化通过装在敏感梁上的应变计进行检测，体积较小，但应变片的检测灵敏度和精度都比较低，且其测头采用三角形拓扑结构，解耦复杂。瑞士联邦计量检定局METAS开发了一种电磁式微接触式测头，测头具有三个方向的自由度，每个方向的检测都采用电感来实现，三个方向的测力相同，结构主要由铝制成，电磁式测头的测量范围较高，横向捡测灵敏度较高且接触力较小，但其结构非常复杂、装调困难，且采用三角形悬挂结构，解耦非常麻烦。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种三维微纳米测量探头，以期获得高精度、高灵敏度，大量程、小测力和稳定性高的探测效果，同时具有成本低，安装简易，调整方便的优势。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术三维微纳米测量探头的结构特点是利用支撑件固定连接测头单元和测量单元；所述测头单元是在空心圆筒的前端面上固定设置前端圆环，四只前端“V”形簧片以各前端“V”形簧片的顶点一一对应连接前端十字悬浮片的各悬臂的臂端，所述前端“V”形簧片的两只底脚连接在前端圆环的端面上；在所述前端十字悬浮片上朝向空心圆筒内部的一侧、处在前端十字悬浮片的中央位置固定设置中央平面反射镜，在所述十字悬浮片上朝向空心圆筒外部的一侧安装探针，探针的前端带有红宝石测球；在所述空心圆筒的尾部端面固定设置尾端圆环，四只尾端“V”形簧片以各尾端“V”形簧片的顶点一一对应连接尾端十字悬浮片的各悬臂的臂端，所述尾端“V”形簧片的两只底脚连接在尾端圆环的端面上；在所述尾端十字悬浮片上朝向空心圆筒内部的一侧、处在尾端十字悬浮片的中央位置固定连接探杆，所述探杆的另一端连接在所述中央平面反射镜的中心位置上；所述尾端十字悬浮片的中央位置在朝向底板一侧凸伸有固定设置的挡光刀片；所述测量单元的结构形式是：在底板上固定安装激光器，由所述激光器出射的准直光束在分光棱镜经反射形成第一束光，并经透射形成第二束光；所述第一束光作为第一被测光束投向第一四象限探测器，红宝石测球在Z向上产生的位移使尾端“V”形簧片上固定设置的挡光刀片形成Z向联动，并使所述第一四象限探测器获得的第一被测光束的光强产生相应变化，根据光强的变化获得红宝石测球在Z向上的位移量检测信号；所述第二束光投向第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射后投向所述十字悬浮片上的中央平面反射镜，再经所述中央平面反射镜的反射投向第二平面反射镜，以所述第二平面反射镜上的反射光束作为第二被测光束投向第二四象限探测器，利用所述第一四象限探测器和第二四象限探测器输出的检测信号实现对中央平面反射镜的位移和二维角度的测量。本专利技术三维微纳米测量探头的结构特点也在于：在所述底板上设置激光器微调座，所述激光器利用不同位置上的可调螺钉安装在所述激光器微调座上，并能利用所述可调螺钉调整激光器的激光出射角度，使第一被测光束能够投照在第一四象限光电探测器的中心位置上。本专利技术三维微纳米测量探头的结构特点也在于：在所述底板上设置楔形微调结构，分别是用于安装第一平面反射镜的第一楔形微调结构，以及用于安装第二平面反射镜的第二楔形微调结构，利用内六角螺钉对所述楔形微调结构进行位置调整，以此调整所述第一平面反射镜和第二平面反射镜的偏摆角度，使所述第二被测光束能够投射在第二四象限光电探测器的中心位置上。本专利技术三维微纳米测量探头的结构特点也在于：所述第一平面反射镜和第二平面反射镜分处在空心圆筒的两侧。与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：1、本专利技术采用高精度的光学传感器，配合设置测头单元中具有高灵敏度和高稳定性的悬浮结构，可以使探头达到的测试效果是：1纳米的测量分辨力；小于10纳米的重复性；水平方向不超过20微米，竖直方向不超过8微米允许碰触范围；小于1毫牛/微米的测力。2、本专利技术设置有尾端和前端的双层悬浮结构。通过探杆将前端悬浮结构的受力形变转移到尾端悬浮结构上，利用联动的挡光刀片改变第一四象限探测器探测到的光强信号，进而实现Z方向的位移变量的检测。利用双层悬浮结构将Z轴测量信号与XY轴测量信号分开，实现了对不同光路信号的单独检测，提高了测量精度，简化了测量过程。3、本专利技术中测量单元采用的是基于自准直原理的二维角度传感器，光路结构精巧简单，整体零件装调方便，成本较低，稳定性好。4、本专利技术中利用激光器微调座和楔形微调结构实现对光路偏摆与俯仰的调整，调整精度高，手动调整便捷，稳定性高，使测量单元中的位移和二维角度传感器更轻松方便的达到理想测量状态。5、本专利技术通过对光路结构中器件进行氧化发黑处理，利用顶盖完全覆盖底板上的所有光路器件，可以大大消除自然光以及其它杂散光对测量结果的影响。附图说明图1为本专利技术总体结构示意图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度大量程三维微纳米测量探头，其特征是利用支撑件固定连接测头单元和测量单元；所述测头单元是在空心圆筒(15)的前端面上固定设置前端圆环(11b)，四只前端“V”形簧片(13b)以各前端“V”形簧片(13b)的顶点一一对应连接前端十字悬浮片(12b)的各悬臂的臂端，所述前端“V”形簧片(13b)的两只底脚连接在前端圆环(11b)的端面上；在所述前端十字悬浮片(12b)上朝向空心圆筒内部的一侧、处在前端十字悬浮片(12b)的中央位置固定设置中央平面反射镜(17c)，在所述十字悬浮片(12b)上朝向空心圆筒外部的一侧安装探针(19)，探针(19)的前端带有红宝石测球(20)；在所述空心圆筒(15)的尾部端面固定设置尾端圆环(11a)，四只尾端“V”形簧片(13a)以各尾端“V”形簧片(13a)的顶点一一对应连接尾端十字悬浮片(12a)的各悬臂的臂端，所述尾端“V”形簧片(13a)的两只底脚连接在尾端圆环(11a)的端面上；在所述尾端十字悬浮片(12a)上朝向空心圆筒内部的一侧、处在尾端十字悬浮片(12a)的中央位置固定连接探杆(14)，所述探杆(14)的另一端连接在所述中央平面反射镜(17c)的中心位置上；所述尾端十字悬浮片(12a)的中央位置在朝向底板(2)一侧凸伸有固定设置的挡光刀片(21)；所述测量单元的结构形式是：在底板(2)上固定安装激光器(9)，由所述激光器(9)出射的准直光束在分光棱镜(8)经反射形成第一束光，并经透射形成第二束光；所述第一束光作为第一被测光束投向第一四象限探测器(7a)，红宝石测球(20)在Z向上产生的位移使尾端“V”形簧片(13a)上固定设置的挡光刀片(21)形成Z向联动，并使所述第一四象限探测器(7a)获得的第一被测光束的光强产生相应变化，根据光强的变化获得红宝石测球(20)在Z向上的位移量检测信号；所述第二束光投向第一平面反射镜(17a)，经第一平面反射镜(17a)反射后投向所述十字悬浮片(12b)上的中央平面反射镜(17c)，再经所述中央平面反射镜(17c)的反射投向第二平面反射镜(17b)，以所述第二平面反射镜(17b)上的反射光束作为第二被测光束投向第二四象限探测器(7b)，利用所述第一四象限探测器(7a)和第二四象限探测器(7b)输出的检测信号实现对中央平面反射镜(17c)的位移和二维角度的测量。...

【技术特征摘要】
1.一种三维微纳米测量探头，其特征是利用支撑件固定连接测头单元和测量单元；所述测头单元是在空心圆筒(15)的前端面上固定设置前端圆环(11b)，四只前端“V”形簧片(13b)以各前端“V”形簧片(13b)的顶点一一对应连接前端十字悬浮片(12b)的各悬臂的臂端，所述前端“V”形簧片(13b)的两只底脚连接在前端圆环(11b)的端面上；在所述前端十字悬浮片(12b)上朝向空心圆筒内部的一侧、处在前端十字悬浮片(12b)的中央位置固定设置中央平面反射镜(17c)，在所述十字悬浮片(12b)上朝向空心圆筒外部的一侧安装探针(19)，探针(19)的前端带有红宝石测球(20)；在所述空心圆筒(15)的尾部端面固定设置尾端圆环(11a)，四只尾端“V”形簧片(13a)以各尾端“V”形簧片(13a)的顶点一一对应连接尾端十字悬浮片(12a)的各悬臂的臂端，所述尾端“V”形簧片(13a)的两只底脚连接在尾端圆环(11a)的端面上；在所述尾端十字悬浮片(12a)上朝向空心圆筒内部的一侧、处在尾端十字悬浮片(12a)的中央位置固定连接探杆(14)，所述探杆(14)的另一端连接在所述中央平面反射镜(17c)的中心位置上；所述尾端十字悬浮片(12a)的中央位置在朝向底板(2)一侧凸伸有固定设置的挡光刀片(21)；所述测量单元的结构形式是：在底板(2)上固定安装激光器(9)，由所述激光器(9)出射的准直光束在分光棱镜(8)经反射形成第一束光，并经透射形成第二束光；所述第一束光作为第一被测光束投向第一四象限探测器(7a)，红宝石测球(20)在Z向上产生的位移使尾端“V”形簧片(13a)上固定设置的挡光刀片(...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞君，许鹏，向萌，范光照，程真英，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34