專利名稱：三維微納米接觸掃描探頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微納米測量領域，更具體地說特別是涉及一種應用在納米三坐標測量機中的高精度大量程三維微納米接觸掃描探頭。
背景技術：
隨著微納加工技術的發(fā)展，尺寸介于毫米和微米之間的微型器件相繼問世，如微透鏡、微齒輪、微芯片、燃油噴油嘴等；微器件的形狀日趨復雜，允許的尺寸公差越來越小， 因此在實踐中迫切需要具有納米級測量精度的三坐標測量機。納米三坐標測量機主要由具有納米定位測量功能的三維運動平臺和具有感測功能的探頭兩部分組成。探頭分接觸式和非接觸式兩種，接觸式探頭可以用來測量非接觸式探頭所不能測量的具有斜面、臺階、深孔、圓弧等特征的工件。接觸式探頭又分為接觸觸發(fā)式探頭和接觸掃描式探頭兩種。其中，接觸觸發(fā)式探頭是指探頭本身只起觸發(fā)作用，即當測球接觸到被測工件時，探頭系統(tǒng)馬上輸出反饋信號給機臺運動控制系統(tǒng)使機臺停下來，工件的具體尺寸是靠機臺的三軸測量系統(tǒng)來給出的，探頭本身并不具有測量功能，這種形式的探頭不能單獨使用，必須與機臺一起工作。接觸掃描式探頭除了具備接觸觸發(fā)式探頭的功能外，還具有測量功能，可以直接對工件進行感測并給出測量結果。目前已經(jīng)公布的接觸式探頭主要以接觸觸發(fā)式為主，比如美國國家標準與技術研究院、英國國家物理實驗室、東京大學、臺灣大學、天津大學、合肥工業(yè)大學等機構公布的探頭。接觸掃描式探頭主要包括德國聯(lián)邦物理研究院(PTB)、荷蘭Eindhoven工業(yè)大學、瑞士聯(lián)邦計量鑒定局(METAQ公布的探頭(參數(shù)見表1)。PTB的測頭由硅膜和測桿組成。當測桿的端部受到外力作用的時候，導致硅膜變形，通過硅膜上的壓阻變化檢測出測頭端部的位移和力的大小，該探頭采用M個壓阻檢測的方式，提高了檢測靈敏度，降低了測頭對溫度的影響，但其采用薄膜結構使應力分布不均勻，硅膜結構比較容易斷裂。荷蘭Eindhoven大學開發(fā)的基于應變計的三維微接觸式傳感測頭，應變計與電路和彈性元件一起通過沉淀、 制版、刻蝕等工藝后被制作成一個整體，測頭各個方向的力和位移的變化通過裝在敏感粱上的應變計進行檢測，體積較小，但應變片的檢測靈敏度和精度都比較低，且其測頭采用三角形拓撲結構，解耦復雜。瑞士聯(lián)邦計量檢定局(METAS)開發(fā)了一種電磁式微接觸式測頭， 測頭具有三個方向的自由度，每個方向的檢測都采用電感來實現(xiàn)，三個方向的測力相同，結構主要由鋁制成，電磁式測頭的測量范圍較高，橫向撿測靈敏度較高且接觸力較小，但其結構非常復雜、裝調(diào)困難，且采用三角形懸掛結構，解耦非常麻煩。表1接觸掃描探頭的主要技術參數(shù)
權利要求
1.三維微納米接觸掃描探頭，其特征是設置測量單元為前段圓筒(Ia)和后段圓筒(Ib)相連接構成筒體；在所述前段圓筒 (Ia)內(nèi)，防回射微型邁克爾遜干涉儀( 固定設置在安裝盒(3a)中；在所述后段圓筒(Ib) 中，基于DVD光學讀取頭的二維角度傳感器固定安裝在安裝板(5a)上；在所述后段圓筒(Ib)的尾部設置一帶有外螺紋的圓筒蓋(7)，以圓筒蓋(7)上的外螺紋與納米三坐標測量機的機架固定連接；設置探測頭(6)為在所述前段圓筒(Ia)的前端面上設置一固定圓環(huán)(8)，在固定圓環(huán)(8)的中央設置十字懸浮片(9)，所述十字懸浮片(9)中各懸臂是在臂端連接有懸臂簧片 (10)，所述各懸臂簧片(10)的另一端與固定圓環(huán)(8)相連接，形成十字懸浮片(9)在固定圓環(huán)(8)中的懸浮結構；在所述十字懸浮片(9)朝向筒體內(nèi)的一側平面上，處在十字懸浮片 (9)的中央位置處設置一中央平面反光鏡(13a)，處在所述十字懸浮片(9)的至少一個懸臂的臂端部位設置有懸臂平面反光鏡(13b)；所述邁克爾遜干涉儀O)的出射光投射在所述中央平面反光鏡(13a)上，所述二維角度傳感器(4)的出射光投射在所述懸臂平面反射鏡 (13b)上；在所述十字懸浮片(9)朝向筒體外的一側平面上，掃描探針(11)固定安裝在所述十字懸浮片(9)的中心，處在掃描探頭最前端的測球(12)固定安裝在掃描探針(11)的端部。
2.根據(jù)權利要求1所述的三維微納米接觸掃描探頭，其特征是所述各懸臂簧片(9)與固定圓環(huán)(8)相連接的一端均勻分布在固定圓環(huán)(8)的圓周上。
3.根據(jù)權利要求1所述的三維微納米接觸掃描探頭，其特征是所述各懸臂簧片(9)與所在懸臂之間的夾角為銳角、鈍角、直角或為180°角。
4.根據(jù)權利要求1所述的三維微納米掃描探頭，其特征是在所述懸臂簧片(10)與懸臂之間，以及在所述懸臂簧片(10)與固定圓環(huán)⑶之間采用螺釘固定連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的三維微納米接觸掃描探頭，其特征是在所述懸臂簧片(10)與懸臂之間，以及在所述懸臂簧片(10)與固定圓環(huán)(8)之間夾持一球體，形成懸臂簧片(10) 與懸臂，以及懸臂簧片(10)與固定圓環(huán)(8)之間的點接觸連接。
6.根據(jù)權利要求5所述的三維微納米接觸掃描探頭，其特征是所述點接觸連接是在所述懸臂簧片(10)與懸臂之間，以及在所述懸臂簧片(10)與固定圓環(huán)(8)之間的點接觸位置處以粘膠粘接；或是在所述懸臂簧片(10)與懸臂之間，以及在所述懸臂簧片(10)與固定圓環(huán)(8)之間的點接觸位置處設置一通孔，以通孔中貫穿的線繩對所述懸臂簧片(10)與懸臂，以及對所述懸臂簧片(10)與固定圓環(huán)(8)形成固定連接。
7.根據(jù)權利要求1所述的三維微納米接觸掃描探頭，其特征是所述安裝盒(3a)與安裝板(5a)是由設置在筒體側壁的緊定螺釘緊定固定，調(diào)整分處在安裝盒(3a)和安裝板(5a) 的不同側面以及不同軸向位置上的各緊定螺釘獲得對所述邁克爾遜干涉儀( 和二維角度傳感器的俯仰和偏擺的調(diào)整。
8.根據(jù)權利要求7所述的三維微納米接觸掃描探頭，其特征是在所述安裝盒(3a)的至少一個側部平行設置一對拱形簧板C3b)，所述拱形簧板(3b)雙端支撐在所述安裝盒(3a) 上，所述拱形簧板(3b)的支撐端為“之”形板；所述設置在筒體側壁的緊定螺釘垂直頂在拱形簧板(3b)的拱面上。
9.根據(jù)權利要求7所述的三維微納米接觸掃描探頭，其特征是在所述安裝板(5a)的一個側部平行設置一對板簧( )，所述板簧(5b)呈“之”形，一對板簧(5b)是以一端支撐在安裝板(5a)的一側邊上，板簧(5b)的另一端以與貫穿筒體側壁的固定螺釘螺紋連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維微納米接觸掃描探頭，其特征是在前段圓筒內(nèi)，邁克爾遜干涉儀固定設置在安裝盒中；在后段圓筒中，二維角度傳感器固定安裝在安裝板上；在前段圓筒的前端面上設置一固定圓環(huán)，在固定圓環(huán)的中央設置十字懸浮片，十字懸浮片中各懸臂通過各懸臂簧片與固定圓環(huán)相連接，形成懸浮結構；在十字懸浮片上分別設置一中央平面反光鏡和至少一個懸臂平面反光鏡；邁克爾遜干涉儀的出射光投射在中央平面反光鏡上，二維角度傳感器的出射光投射在懸臂平面反射鏡上；在十字懸浮片朝向筒體外的一側平面上，掃描探針固定安裝在十字懸浮片的中心。本發(fā)明能夠獲得大量程、高精度、高靈敏度和小測力的探測效果。
文檔編號G01B11/03GK102506725SQ20111033637
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權日2011年10月28日
發(fā)明者李瑞君, 范光照, 錢劍釗, 陶勝, 黃強先 申請人:合肥工業(yè)大學