接触触发式三维微纳米探头

李瑞君，李心愿，向 萌，程真英，范光照



接触触发式三维微纳米探头

李瑞君，李心愿，向 萌，程真英，范光照

( 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥 230009 )

为解决微电子机械系统(MEMS)器件三维尺寸高精度测量的难题，研制了一种适用于微纳米三坐标测量机的新型高精度三维接触触发式探头。该探头只用了一个基于四象限感测器的二维角度传感器即可同时实现对测球三维运动的高精度感测。介绍了探头的结构和原理，建立了探头的灵敏度模型和刚度模型，用最优化方法得出了探头结构参数的最优解。对探头的刚度、感测范围、灵敏度、稳定性及触发重复性等性能指标进行了测试。实验结果表明：探头的刚度在三轴方向基本相同, 约为1 mN/μm；允许触碰范围超过12 μm；灵敏度大于0.5 mV/nm；在恒温环境(20±0.025)℃下，1.3 h内的位移漂移量约为20 nm；触发测量重复性小于40 nm(=2)。该探头具有精度高、测力小、体积小、成本低、装调方便等优点，可被用于微纳米三坐标测量机。

位移测量仪表；微纳米三坐标测量机；接触触发式探头；弹性机构；测微力计

0 引 言

微电子机械系统(MEMS)[1-2]技术蓬勃发展，各种微型器件已经在汽车、通讯、航空航天等领域获得了广泛应用。但是MEMS器件的高精度检测，特别是具有高深宽比特征器件的检测，仍然未能很好的解决。因为扫描隧道显微镜、原子力显微镜等常见高精度测量设备和各类光学非接触式探头难以测量带有斜面、台阶、倒角、深孔等高深宽比特征的器件，所以微纳米三坐标测量机(Micro/Nano-CMM)[3-5]及其接触式探头成了该领域的研究热点。接触式探头可分为接触扫描式探头和接触触发式探头两种，前者可以给出测球在三维方向上的位移值，后者在测球与被测工件接触时会给出触发/开关信号，两者各有优缺点。

国内外许多著名大学或研究机构都在进行微纳米接触式探头的研究。主要包括：南台湾科技大学基于两个DVD光学读取头的探头[6]，触发重复性为46 nm；哈尔滨工业大学的光纤探头[7-8]，实物测量重复性为20 nm；瑞士机床与制造研究所基于斐索干涉仪的探头[9]，结构复杂，体积大，理论分辨力40 nm；日本大阪大学基于激光光镊和Mirau干涉仪的探头[10]，不确定度为335 nm；德国计量院(PTB)基于2个CCD的光纤探头[11]，测量不确定度为100 nm；美国国家标准与技术局(NIST)与北卡大学夏洛特分校(UNCC)共同研发的光纤探头[12]，测量不确定度为70 nm；瑞士Mecartex公司和METAS(瑞士联邦计量及认证局)合作研制的基于3个电感传感式的接触扫描探头[13-14]，测量不确定度为30 nm，结构非常复杂，装调难度大；另外还有基于4个压阻式传感器的探头[15-16]，需要采用MEMS微细加工技术制造，可达10 nm的分辨力。现有的接触式探头均达到了纳米级的测量分辨力，但都需要采用两个以上的传感器进行感测，存在结构复杂、体积大、成本高、装调困难等不足。

为此，作者研制了一种只需要一个传感器的三维接触触发式微纳米测量探头，与现有探头相比，该探头具有重复测量精度高、结构简单、成本低、体积小、制造和安装精度要求低等特点。

1 探头系统的基本结构

本探头包括弹性机构[17]、基于四象限感测器(Quadrant Photo Diode，QPD)的二维角度传感器及探头筒体三部分组成，如图1。弹性机构由探针、悬浮片、中央平面反射镜、弹性元件、固定圆环组成，其中探针购自雷尼绍公司，红宝石球径为1 mm，探针长度为10 mm，测球球度为130 nm。弹性机构可将测球在水平和竖直方向上的位移转换成平面反射镜的转角和竖直位移。

二维角度传感器是由激光器及其调整装置、中央平面反射镜、聚焦透镜、QPD五个部分组成。调整装置用来调节激光器出射光束的二维角度以确保可以投射到QPD的正中心。传感器负责感测中央平面反射镜的角度和竖直位移变化，是探头的重要组成部分，对探头的测力、量程、灵敏度、稳定性、重复性等指标有直接影响。

2 探头的测量原理及灵敏度模型

2.1 感测原理

QPD主要由分布在四个象限的四个面积相同、光电特性相同的光电池组成。如图2所示，其主要材料为硅，中央间隔约为2 μm至12 μm。当光点投射在QPD上时，随着光点的位置不同，QPD各象限接收到的光强不同，信号输出也将不同。利用光电转换电路对QPD的输出信号做处理[18]：

即可建立光点位置与两路信号之间的关系。竖直方向感测原理如图3所示。在探针没有受到触碰时，反射光束经过聚焦透镜，投射到QPD的中心处，由式(1)和(2)可知对应输出的电压信号为零。当探针受到竖直方向触碰产生位移v时，悬浮片和中央反射镜也产生同样的位移，则投射到QPD上光斑的位置会偏移，对应的两路输出电压信号也会发生相应的变化。

水平方向感测原理同竖直方向相似，如图4所示。当测球在水平方向受到触碰而产生位移h时，探针偏转角，弹性簧片发生变形，因探针和悬浮片被看作一个刚体，故中央反射镜也偏转角，由反射原理可知反射光线偏转2角。即当中央反射镜有角度变化时，聚焦在QPD上的光点的位置就会有相应的变化，从而能感测水平方向偏移的角度。输出的两路电压信号分别与平面反射镜的二维角度呈线性关系。

2.2 灵敏度模型

竖直方向触碰测球，使其产生v，对应输出的信号电压v和触发位移v的比值即是探头竖直方向的灵敏度[19]。如图3所示，由相似三角形Δ和Δ可知：。

所以探头在竖直方向的灵敏度模型为

其中：Ð=，=，=，为比例常数。

同理：水平方向触碰测球产生位移h，对应输出的信号电压h和触发位移h的比值即是探头水平方向的灵敏度。如图4所示：由相似三角形Δ和Δ可知：，且，所以探头在水平方向上的灵敏度模型为

3 优化设计

3.1 刚度模型

恰当的刚度对探头来说至关重要，刚度太小无法保证测量精度，刚度太大会损伤被测工件。按照赫兹弹性理论[20]可以算出0.5 mm红宝石测球触碰45号钢时的最大允许触测力为2.8 mN。安全起见，常将触发探头刚度限制在1 mN/μm左右。不仅如此，还要求探头在水平方向和竖直方向具有相同的刚度，以获得良好的使用性能。

已知探头采用的基于V形簧片弹性机构，在竖直方向和水平方向上的刚度模型[21]分别为

3.2 优化结果

在最优探针长度=10 mm的基础上，再根据探头在水平和竖直方向上灵敏度相等()和探头最大测量范围5mm的约束条件，可以获得其余最优结构参数：=9.8 mm，=4.9 mm，=6 mm，=53°。

4 实 验

为了测试三维微纳米接触触发式探头的性能，搭建了如图5所示的实验装置。探头被安装在一个升降台上，德国PI公司生产的三维纳米微动平台PI-561.3CD(三轴量程均为100 μm，三轴重复性均为2 nm)作为位移基准；二维微动平台用来实现探头位置的粗调；用0级量块工作面去触碰测球。

4.1 刚度测试

考虑到探头的设计刚度很小，一般市售测力计达不到精度要求。特设计了基于迈克尔逊干涉仪的测微力计，如图6所示。以L形铜条作为敏感元件，以微型迈克尔逊干涉仪作为感测元件，迈克尔逊干涉仪的参考光和测量光同时打在一块平面反射镜上。在力的作用下，平面反射镜会随L形铜条产生微小的偏角，此偏角可由迈克尔逊干涉仪测出。平面反射镜偏转角与被测力之间存在一一对应关系。分别用1 mg、2 mg、5 mg、10 mg、20 mg等E1级的标准砝码(最大相对误差为千分之二)对测力计进行了标定。测力时，测微力计被固定在图5所示的二维微动平台上，通过调整升降台可以改变测球与铜条间的位置。移动纳米微动台，并同时记录纳米微动台的位移量和测力竖直变化量，用增量的方式计算探头的刚度。测得探头水平方向的测力梯度为0.99 mN/μm，竖直方向的测力梯度为1.01 mN/μm。水平和竖直方向的刚度近似相等。

4.2 感测范围和灵敏度测试

PI工作台的三个运动方向形成一个坐标系，在实验时可以先用二维微动平台移动标准量块，直到测球与量块工作面的距离小于100 μm，再用PI台的微动功能触碰测球，同时记录PI台的位移和探头的两路输出信号。测量结果如图7所示。水平方向和竖直方向的允许感测范围均超过12 μm，说明探头具有较大的安全裕度。水平方向和竖直方向的灵敏度均大于0.5 mV/nm，且水平方向略好于竖直方向。

4.3 稳定性实验

为测试探头的稳定性，将探头系统固定在一个恒温箱中，待恒温箱中的温度稳定在(20±0.025)℃后记录探头信号，结果如图8所示，恒温环境下探头1.3 h内的漂移量约为20 nm。

4.4 触发重复性测试

将标准量块固定在图5所示的二维平台上，通过移动PI纳米定位平台用量块的工作面去触碰测球。以测球移动1 μm为触发阈值，在三个方向分别做8次，触发重复性数据如表2所示。三轴方向的最大重复触发标准差在20 nm以内，故探头的触发重复性在40 nm(=2)以内。其中是与95%置信概率对应的置信系数。

5 结 论

设计制作了一款适合于微纳米三坐标测量机的接触触发式探头，该探头具有精度高、测力小、体积小、成本低、装调方便等优点。实验结果表明：探头在三维方向上具有相同的刚度和灵敏度，刚度约为1 mN，灵敏度均大于0.50 mV/nm；触发的容许范围是12 μm；探头在1.3 h内的漂移量小于20 nm，环境温度(20±0.025) ℃；触发重复性小于40 nm，探头结构横向尺寸小于40 mm。

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A Touch Trigger 3D Probe for Micro/Nano Measurement

LI Ruijun，LI Xinyuan，XIANG Meng，CHENG Zhenying，FAN Guangzhao

( School of Instrument Science and Opto-electric Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China )

To meet the requirement of high precision 3D measurement for MEMS devices, a new high precision touch trigger probe for micro-Nano/CMM is developed. Only one Quadrant Photo Diode (QPD) based two-dimensional angle sensor was used in this probe, which can detect the ball tip’s 3D motions of the probe precisely at the same time. The probe was introduced and analyzed. The sensitivity and stiffness models of the probe were achieved, and the optimal structural parameters of the probe were obtained. Several experiments have been conducted to test the stiffness, measurement range, sensitivity and repeatability of the probe. The experimental results demonstrate that the probe has 1 mN/μm uniform stiffness in 3D, the permitted measurement range is more than 12 μm and the sensitivity is about 0.5 mV/nm in 3D. The drift is about 20 nm in 1.3 hours when the environment temperature is controlled to (20±0.025)℃, and the repeatability is less than 40 nm (=2). The probe has the advantages of high precision, low stiffness, small size, low cost and good assembly which can be applied to Micro/Nano CMM.

displacement measuring instruments; micro/nano CMM; touch-trigger probe; elastic mechanism; micro force measurement apparatus

1003-501X(2016)08-0001-06

TH822

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.08.001

2015-11-02；

2016-03-18

国家自然科学基金项目资助(51275148，51475133)；安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目资助(KJ2015A410)

李瑞君(1976-)，男(汉族)，内蒙古和林格尔人。博士，副教授，主要研究方向为微纳米测量、光电检测等技术。

E-mail: rj-li@hfut.edu.cn。