李 源 吳俊杰 / 上海市計量測試技術研究院

用于微納米幾何量尺寸測量的三維微接觸式測頭*

李 源 吳俊杰 / 上海市計量測試技術研究院

為實現微納尺度器件三維幾何形貌測量及表征，基于電容和壓阻原理，開發(fā)了兩種三維微接觸式測頭。其中電容測頭測量范圍4.5 μm，軸向分辨力和橫向分辨力分別為10 nm和25 nm；壓阻測頭測量范圍4.6 μm，軸向分辨力和橫向分辨力分別為5 nm和10 nm。兩種測頭均可集成到納米測量機，實現微結構幾何參數的測量。

微接觸式測頭；電容傳感器；壓阻傳感器；納米測量機

0 引言

納米科技、MEMS(微機電系統)技術和超精密加工技術的發(fā)展，對微小器件尺寸測量提出了更高的要求。醫(yī)療、精密機械、塑料、印刷等領域中器件的微型化和功能化發(fā)展已成為一種趨勢[1]。隨著器件結構的微型化和復雜化，解決高深寬比、大尺寸器件的高準確度測量和表征問題顯得尤為重要[2]。雖然光學測量方法具有準確度高、速度快、非接觸等諸多優(yōu)點，但其性能受被測樣品表面特性的影響較大，因而使用范圍受到很大的限制。在生產測量技術領域，集成接觸式測頭的坐標測量技術已經成為實際的行業(yè)標準[3]。當前測頭開發(fā)的研究工作主要集中在三個方面：1）新型測量方法的研究；2）測量結構的工藝改進；3）測量軟件算法的改進[4]。

受測球尺寸和測頭系統性能等因素限制，傳統的接觸式測頭系統不適合測量微小部件。因此，開發(fā)滿足微納米尺度測量要求的接觸式測頭系統具有重要意義。根據傳感原理的不同，觸覺傳感器可分為電容式、壓阻式、壓電式、電感式、光電式、應變計式等，將上述兩種或兩種以上的傳感原理進行組合即構成復合式觸覺傳感器[5]。近十年來，基于納米測量機的接觸式測頭研究成為熱點。典型的有英國國家物理實驗室（NPL）的電容式微接觸測頭和壓電式微接觸測頭[6,7]，德國聯邦物理研究院（PTB）的硅薄膜微接觸測頭和光纖微接觸測頭[8,9]，荷蘭埃因霍溫技術大學（TUE）的壓阻式微接觸測頭[10,11]，瑞士聯邦計量檢定局的電磁式微接觸測頭[12]等。

1 基于電容原理的三維微接觸式測頭

基于電容原理的三維微接觸式測頭主要由玻璃基底、微電容傳感器和測針組成。玻璃基底用于固定微電容的下極板和支柱，微電容用于感受位移的變化，并將其轉化為可測量的電信號，測針用于探測和傳遞位移。測頭結構如圖1所示。

圖1 電容式三維微接觸測頭結構

測頭基于變極距形平行板電容器原理。為測量橫向位移，將下極板分割成a、b、c、d四塊。測頭的軸向和橫向檢測模型如圖2所示。

圖2 電容式三維微接觸測頭檢測模型

測量軸向位移時，將下極板a、b、c、d相連，被測電容變化為

式中：ε— 介電常數；

S— 電容極板有效相對面積；

Δd— 極板間距變化；

d0— 極板初始間距；

C0— 初始電容，

由于Δd＜＜d0，式（1）可按Taylor級數展開，略去高次項，得：

測量橫向位移時，將下極板a、b相連，c、d相連（或a、d相連，b、c相連）。此時，上、下極板形成兩個電容，由于上極板偏轉引起的電容極距變化量沿著r方向是變化的，建立精確的計算模型比較困難。因開發(fā)的電容式三維微觸覺測頭用于實際測量前需進行校準，為簡化模型，在理論分析中，用 等效極板偏轉后的極距變化d′，并用平行平板電容計算公式分別計算兩個電容的變化量，按Taylor級數展開后作差，略去高次項，得：

式（3）中，雖然電容的變化量仍與位移呈非線性關系，但是消除了級數中的偶次項，線性得到了改善。

傳感器采用電鍍工藝加工，經過濺射種子層、反應離子刻蝕、光刻、結構釋放等工藝步驟后，最終完成的電容測頭實物如圖3所示。

圖3 電容測頭實物圖

為完整地表征測頭的輸入輸出特性，對測頭的測量范圍、線性、遲滯及分辨力進行了測試[13]，結果表明測頭的軸向測量范圍為4.5 μm，軸向分辨力為10 nm，橫向分辨力為25 nm。測頭橫向和軸向輸入、輸出曲線圖如4所示。測頭觸發(fā)點位于0.5 μm處，在5 μm時，由于軸向量程達到極限值，此時上、下極板已接觸，此處的值為-8 pF，符合數據采集電路的短路特性。

2 基于壓阻原理的三維微接觸式測頭

基于壓阻原理的三維微接觸式測頭主要由十字形敏感梁和測針組成，其結構如圖5所示。

圖4 電容式測頭輸入、輸出特性曲線

圖5 壓阻式三維微接觸測頭結構

當測頭受軸向（或橫向）負載時，測端球的位移通過測桿傳遞給中心連接體，引起中心連接體的位移（或偏轉），進而引起敏感梁上壓阻值的變化。利用惠斯通電橋檢測壓阻阻值的變化，并通過相應的位移傳遞函數即可計算出測端球的位移值。測頭位移檢測模型如圖6所示。

圖6 壓阻式三維微接觸測頭位移檢測模型

當測頭軸向偏移Δz時，敏感梁兩端產生的軸向位移差Δz′為

當測頭橫向偏移時，測桿以中心連接體中心為原點偏轉θ1角，由于測桿與中心連接體均為剛體，可認為中心連接體偏轉角θ2≈θ1，則有：

由于敏感梁長度遠大于厚度，因此橫向負載下中心連接體的x向偏移相對于z向偏移非常小，可認為中心連接體只沿y軸旋轉而無x向偏移。測端球位移與測頭輸出關系曲線可直接通過校準實驗得出。

測頭的敏感單元采用體硅MEMS工藝進行加工，通過氧化、光刻、擴散、腐蝕、濺射和結構釋放等工藝流程，最終完成的敏感單元及測頭實物如圖7所示。

圖7 壓阻式三維微接觸測頭實物

圖8 壓阻式測頭軸向特性曲線

測頭軸向的輸入、輸出特性如圖8所示。軸向測量范圍約為4.6 μm，橫向測量范圍理論上應大于軸向測量范圍，由于實際測試時存在導致測頭損壞的風險，因此未進行測試。測頭的軸向分辨力為5 nm，橫向分辨力為10 nm，并有較好的線性特性[14]。

3 結語

本文基于電容和壓阻這兩種不同檢測原理，設計了兩種可用于微納尺度幾何量測量的三維微觸覺測頭，建立了測頭的檢測模型，給出了測頭的輸入輸出特性曲線，并列出了兩種測頭的測量范圍及分辨力參數。其中，電容測頭測量范圍4.5 μm，軸向分辨力10 nm，橫向分辨力25 nm；壓阻測頭測量范圍4.6 μm，軸向分辨力5 nm，橫向分辨力10 nm。受測量原理影響，壓阻測頭的分辨力及線性均優(yōu)于電容測頭。

兩種測頭均可集成到納米測量機，用于實現具有高深寬比結構的微器件幾何尺寸的納米級準確度測量。本文后續(xù)研究主要包括測頭與納米測量及定位平臺的集成技術，包括機械結構設計、通信接口開發(fā)及軟硬件集成等。同時，還將對測頭設計和工藝進行進一步優(yōu)化，研究溫漂、測量力等參數。

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Research on 3D micro tactile probe for microand nanometer dimensional measurement

Li Yuan, Wu Junjie
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

In order to realize dimensional measurement and characterization of miniaturized components in micro/nano scale, two 3D micro tactile probes were developed based on capacitive and piezo-resistive principle. Range of capacitive probe is 4.5 μm, with a resolution of 10 nm and 25 nm in axial and lateral direction, respectively. The piezoresistive probe has an axial and lateral resolution of 5 nm and 10 nm in full range of 4.6 μm. The two probes can be integrated to nano measuring machine to realize measurement of geometrical parameter in microstructures.

micro tactile probe；capacitive sensor；piezo-resistive sensor；nano measuring machine

國家質檢總局公益專項（201110051）