于谐振传感检测系统的三维微触觉测头基于光学传感检测系统的三维微触觉测头本文主要研究内容电容式三维微触觉测头设计测头结构及原理微电容传感器工艺及制备测头数据采集系统测头装配及封装测针的选择测头装配及封装设计本章小结压阻式三维微触觉测头设计测头结构及原理分析硅的压阻效应测头结构及位移检测模型压阻排布及检测悬挂系统加工工艺及流程悬挂系统版图设计及基本工艺介绍悬挂系统工艺流程设计压阻阻值测试万方数据测头数据采小为，测量力小于。万方数据中国计量学院硕士学位论文测头分辨力为，量程大于，不确定度小于。测头实物如图所示。图测头实物瑞士苏黎世联邦理工学院的等也设计了类似电容测头的测头系统。该测头尺寸更小，量程更大，采用标准的金属切削工艺加工，并通过结构的优化设计使测针更换成为可能。图为其结构及实物。图测头结构及实物该测头的三个电容传感器作用于同个小圆盘，无需像测头样设置三个小圆盘，简化了测头结构。此外，该测头还设置了重力补偿结构，用以平衡探测单元重量，以减轻悬梁压力。测头的线性误差小于，探测精度小于，其他参数有待进步测试。基于压阻传感检测系统的三维微触觉测头德国联邦物理研究院的等联合德国不伦瑞克技术大学的和研制了种基于的硅微三维测头，测头由硅膜和测针组成，如图所示。万方数据中国计量学院硕士学位论文图压阻测头结构及实物通过单晶硅的各向异性腐蚀，形成厚度约的薄膜和厚度的中心连接体，并在薄膜上利用离子束掺杂技术制作压阻条作为敏感单元。薄膜方形口尺寸为，整体尺寸。薄膜背面分布个压阻条，组成组惠斯通电桥，分别用于检测三轴方向的位移。测杆长，直径，测球直径。加载在测端的力通过测杆传递给薄膜，引起薄膜的变形，然后通过压阻检测出变形量，进而得到测端的位移。测试结果表明，开发的硅膜测头横向分辨力为，测端重复性，接触力轴向分辨力，重复性，接触力。向的耦合为，向的耦合为。测头量程，不确定度。后经等改进后，薄膜方形口尺寸优化为，整体尺寸为。利用个惠斯通电桥共个压阻条进行检测，并采用长的测杆和直径的测球。改进后测头三轴重复性分别达到了和。埃因霍温技术大学的，开发了种基于三角形拓扑梁悬挂结构的压阻测头，测头结构如图所示。图测头实物测头由独立部件测针悬挂结构排线及封装室组成。由于结构微小，大部分元件通过胶水固定。测头悬挂结构采用硅工艺加工，压阻信号通过惠斯万方数据中国计量学院硕士学位论文通电桥检测。经校准，测头每小时的平均漂移量为，最大漂移量。在范围内磁滞小于，在范围内磁滞大于。虽然测头在内的重复性小于，但缺乏长期稳定性，有待进步的完善。指出提高压阻的灵敏系数可以改善测头的重复性。图系列测头实物优化和完善了开发的三角形梁结构测头，使测头在各方向的重复性达到了，测量范围内不确度，并使用长度半径比为的测针，使测头具备了测量大深宽比复杂结构的能力。通过后续的些改进，由公司商业化为的系列测头和。图为系列测头实物。和的性能如表所示，。表和参数测头型号重复性传感器不确定度温度漂移针尖碰撞质量测量范围线性测量范围可用测球直径万方数据中国计量学院硕士学位论文此外，等还开发了用于测量高深宽比结构的压阻型三维微触觉测头等开发了基于压阻传感检测系统的触发式三维微触觉测头。基于电磁传感检测系统的三维微触觉测头瑞士联邦计量检定局的等开发了种电磁式微触觉测头，测头主要由铝制成，利用三个电感传感器检测三轴位移，具有三个方向的自由度，测量力各向同性。测头结构如图所示。图测头结构测针通过磁力吸附在测头上，并通过三个凹槽与测头上的三个小球配合实现定位，且可根据不同的测量任务更换不同大小的测头。测头的测量力小于，可根据需要更换测球直径到的测针。所有轴相对于重力具有相同的方向，刚度各向同性，大小仅，运动质量约。测头量程为，分辨力小于，重复性。测头实物如图所示。图测头实物基于谐振传感检测系统的三维微触觉测头日本公司，开发了种谐振式三维微触觉测头，测头结构及实物如图所示。万方数据中国计量学院硕士学位论文图测头结构及实物测头通过检测测端球接触样品表面后引起的振幅衰减实现测量，当测完点后，测头与样品表面分离，振幅恢复至设定值，然后进行下点的测量。测头的测杆长，直径，测端球直径。测头的测量力为，分辨力为，量程，测量重复性小于。相关的研究还有的等，开发的谐振式测头，测头采用三角梁悬挂，并在梁上制作压电驱动器和压电传感器，用以励振及检测振幅及相位变化。测头的相关参数还有待进步测试，图为其结构及实物。图谐振测头结构及实物基于光学传感检测系统的三维微触觉测头日本大阪大学的等开发了种基于单光束光光阱捕获技术的测头系统，如图所示。万方数据中国计量学院硕士学位论文图激光捕获测头结构及实物测头利用个在光阱力和自身重力作用下达到平衡的小球作为探测单元，通过激光捕获直径的玻璃微球探头的运动，可实现三维方向的测量。系统的测量精度可达，分辨力优于，量程约。通过倾斜光滑表面倾角和沟槽深约的测量实验，表明该测头具有测量三维表面形貌和高深宽比结构的能力。台湾大学的等开发了种基于迈克尔逊干涉仪的三维微触觉测头，测头主要包括测针悬挂结构和三个位移传感器。其结构如图所示。图测头结构测针测端球的位移经测杆传递给悬挂盘，从而引起反射镜的偏移，反射镜的偏移量利用三个迈克尔逊激光干涉仪测量，并通过相应的转换模型得到针尖的位移。测头可工作于触发模式和扫描模式。经校准，这两种模式下的标准偏差均小于。万方数据中国计量学院硕士学位论文此外，基于光学传感检测系统的三维微触觉测头研究还有德国伊尔门瑙技术大学的匈牙利布达佩斯技术大学的瑞士苏黎世联邦理工学院的及中国合肥工业大学的范光照等。本文主要研究内容通过对以上国内外研究现状的分析，可知目前开展的纳米测量机微触觉测头研究工作及成果主要集中在国外，国内的主要有台湾大学合肥工业大学天津大学和上海市计量测试技术研究院等。早在上世纪年代，等国际知名科研机构就已率先开始微触觉测头的研究，通过十余年的努力，已取得定的成果，但是在微触觉测头开发中，尚存在许多问题有待解决。如分辨力测量范围及测量不确定度还有待提高，测球直径和接触力有待减小，测头探测结构也需要改进，以适应高深宽比结构及复杂器件的测量等。因此，开发具有新型测量原理和测量方法并具有三维测量能力的微触觉测头仍是今后测头研究的热点。本文主要围绕测头开发中存在的问题，对测头的结构及悬挂系统进行设计和优化，在实验室现有工作基础上，开发出基于电容和压阻两种不同原理并具备测量能力的微触觉测头，并对测头的测量范围线性迟滞及分辨力等参数进行了测试。具体工作如下对电容和压阻两种不同原理测头的检测模型及结构进行了分析，根据它们的位移传递关系建立相应的数学模型。研究了微观尺度下触觉测头与被测样品表面之间作用力的影响机理。对实验室前期开发的电容式三维微触觉测头进行结构和工艺方面的优化设计，利用非硅工艺进行流片，制备出高精度的微电容传感器。通过装配根长的测针，构成了电容式三维微触觉测头。利用硅的压阻效应，基于体硅加工工艺，开发了种具有十字梁悬挂结构的压阻式三维微触觉测头。同时，设计了两种不同的电桥结构，用以检测悬臂梁受力变形后压阻阻值的变化情况。基于单片机系统和高精度模数转换芯片，设计了高精度的微弱电压数据采集系统，用以检测惠斯通电桥的输出。设计了两种测头封装，分别用于测头的测试及与纳米测量及定位平台的集成。第种封装针对实验室自行开发的三维微触觉测头校准装置万方数据硕士学位论文纳米测量机三维微触觉测头开发作者吴俊杰导师傅云霞教授李源高工李东升教授学科精密仪器及机械中国计量学院二〇四年三月万方数据，万方数据中图分类号学校代码密级公开硕士学位论文纳米测量机三维微触觉测头开发作者吴俊杰导师傅云霞李源李东升申请学位工学硕士培养单位中国计量学院学科专业精密仪器及机械研究方向微纳米测量二〇四年三月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国计量学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名签字日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解中国计量学院有关保留使用学位论文的规定。特授权中国计量学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名导师签名签字日期年月日签字日期年月日万方数据致谢本论文是在我的导师傅云霞教授李源高工李东升教授的共同指导下完成的。傅云霞教授作为我的第导师，她严格的治学态度和科学的工作方法让我受益终身。不管在学习上还是在生活中，傅老师都给予了极大的关心和帮助。在此，向导师至上我最衷心的感谢！李源高工作为我实习期间的直接指导老师，在课题的确立实施和完成的过程中都给予了我充分的帮助和支持，让我受益匪浅。从他身上，我学到了种对待科研对待生活的态度。在此献上我最诚挚的谢意！李东升教授作为我的校内导师，他严谨的思维深厚的学术功底对我影响深远。在校学习期间，李老师在学术上给了我很多指导和帮助实习期间，李老师也不忘叮嘱我做人做事的道理。在此表示深深的感谢！在上海计量院实习期间，得到了孙薇斌处长肖飞老师等领导和同事，以及实验室雷李华师兄卢歆师姐蔡潇雨师姐毛辰飞硕士邓林涓硕士翁浚婧硕士和耿锋硕士等在工作和生活上的关心和帮助。在此表示感谢！同时，感谢上海交通大学的汪红副教授和何明轩硕士苏州纳米所的刘瑞博士在电容及压阻测头工艺加工方面的指导和帮助。感谢学校郭天太沈小燕陈爱军刘辉军等老师的关心和照顾，感谢仰北和实验室的师兄师姐们以及同级的刘月瑶崔廷李加福王义旭周晓雪赵鹏陈红等同学的关心和帮助，感谢那些曾经给予过我帮助但没有提及姓名的老师和同学，特别感谢陈红远师弟在电路设计方面的帮助和建议。最后，我要感谢直以来为我默默付出的父母和家人，是他们直站在我身后支持鼓励敦促我不断进取，他们是我完成学业奋发图强的动力源泉。