范光照，李瑞君

(1.臺(tái)灣大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)系，臺(tái)灣 臺(tái)北 10617；2.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0　引言

隨著微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、軍事等領(lǐng)域出現(xiàn)了許多微型器件，如微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微光學(xué)器件、微電力電子器件等[1-3]，這些器件的幾何特征尺寸介于數(shù)微米到數(shù)毫米之間，需要有亞微米級甚至納米級精度的三維形貌測量設(shè)備才能測量。傳統(tǒng)的坐標(biāo)測量機(jī)因精度低、測球直徑及測力太大而無法滿足要求；原子力顯微鏡(AFM)、掃描隧道顯微鏡(STM)等納米精度測量儀器比較適合微米級范圍內(nèi)的二維形貌連續(xù)掃描測量，但不易測量微器件的三維特征；共焦顯微鏡、白光干涉儀等高精度非接觸式測量儀器難以測量大斜度表面、側(cè)面及內(nèi)腔等高深寬/徑比特征尺寸。因而，客觀上需要有具備微納米級精度的三坐標(biāo)測量機(jī),其中的探頭技術(shù)是關(guān)鍵和難點(diǎn)。

1　微納米接觸式探頭類別

國內(nèi)外許多著名大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)都在研究微納米接觸式探頭，按照感測原理可以將其分為電容式、壓阻式、電感式、影像式、光電式和共振式等幾類。

1.1　電容式探頭

1)英國國家物理實(shí)驗(yàn)室(National Physical Laboratory，簡稱NPL)[4-5]小型三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)的探頭如圖1所示，利用三個(gè)鋁盤(直徑3 mm、厚度1 mm)、三根碳化鎢管、三個(gè)鈹青銅片與三個(gè)電容傳感器組成三組呈120°的接觸式測量探頭，該探頭的重量為370 g,測球直徑為1 mm,量程為±20 mm,分辨力為3 nm，10 mm 量程對應(yīng)的探頭接觸力小于0.1 mN。在加工和組裝時(shí)難以保證設(shè)計(jì)的對稱性要求，因此在測量時(shí)會(huì)有交叉耦合現(xiàn)象。另外，當(dāng)沿水平方向觸碰測球時(shí)，三個(gè)感測點(diǎn)會(huì)有漸增傾角,導(dǎo)致電容傳感器的兩個(gè)極板不平行，進(jìn)而會(huì)影響測量準(zhǔn)確度。

2)荷蘭Eindhoven大學(xué)也研制出了以電容為感測器件的探頭[6]。探頭主要由三層極板組成，極板間用彈簧支撐，將感測區(qū)域分成四塊，故可測量中間極板的二維轉(zhuǎn)角和沿豎直方向上的位移。探頭中間極板與探針相連，當(dāng)測球受到觸碰產(chǎn)生位移時(shí)，中間極板會(huì)上下移動(dòng)或者傾斜，導(dǎo)致電容輸出發(fā)生變化，如圖2所示。該探頭可達(dá)到XY方向5.3 nm、Z方向1.6 nm的不確定度。

圖1　英國NPL小型CMM的探頭系統(tǒng)

圖2　荷蘭Eindhoven大學(xué)的電容式探頭

圖3　哈爾濱工業(yè)大學(xué)的電容式探頭

3)哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚久彬等提出了一種電容式觸發(fā)探頭，測球直徑約為3 mm，如圖3所示[7]。測球與被測物(金屬)之間會(huì)形成一個(gè)電容，該電容的大小與測球與被測物之間的距離呈一一對應(yīng)關(guān)系，可以達(dá)到5 nm的分辨力。

1.2　電阻式探頭

1)德國計(jì)量院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt，簡稱PTB)研制的探頭以壓敏電阻(Piezoresistor)為感測元件[8]。用微細(xì)加工技術(shù)制造出的硅薄膜(membrane)和框架(frame)以及安裝的探針組成彈性機(jī)構(gòu)，如圖4所示。當(dāng)測球受力時(shí)會(huì)造成薄膜變形，變形量可由貼在薄膜上的壓敏電阻感測并最終轉(zhuǎn)換為測球的三維位移值。該探頭在X，Y，Z方向上的測量重復(fù)性分別為4.4，4.4，1.3 nm。

圖4　PTB的壓阻式探頭系統(tǒng)

2)荷蘭Eindhoven大學(xué)也開發(fā)了以應(yīng)變規(guī)(strain gauge)作為感測器件的探頭[9]。該探頭由Pril等人提出，利用MEMS技術(shù)將應(yīng)變規(guī)集成在支撐桿內(nèi)，測球直徑為300 μm,測桿長度大于4 mm,探頭接觸力小于1 mN,測量范圍為25 mm,分辨力為1 nm,探頭整體重量為20 mg，如圖5所示。

圖5　Eindhoven大學(xué)開發(fā)的應(yīng)變式探頭

3)德國Braunschweig工業(yè)大學(xué)的Peiner等人利用蝕刻的方式在微小的懸臂上制造出一個(gè)尖端作為探針，在懸臂的上方利用硅材料蝕刻出電阻，當(dāng)探針受力造成懸臂變化時(shí)可由電阻的變化和惠斯通電橋原理感測出探針的位移，如圖6所示[10]。該探頭系統(tǒng)可應(yīng)用于深寬比較大工件的測量，測量范圍達(dá)到40 μm,分辨力1 nm,重復(fù)性5 nm。探頭的剛性約為9.7 N/km，最小可分辯到1 nN，最大接觸力為400 mN。德國Braunschweig工業(yè)大學(xué)的Tibrewala等人也制造出了類似的壓阻式觸發(fā)探頭[11]。

圖6　德國Braunschweig大學(xué)的探頭系統(tǒng)

4)天津大學(xué)也研制出了壓阻式三維微觸覺探頭，感測元件和彈性元件用MEMS技術(shù)制成，如圖7所示[12]。沿豎直方向?qū)? mm階高測量的重復(fù)性為42 nm，沿水平方向?qū)? mm階高測量的重復(fù)性為566 nm。

圖7　天津大學(xué)的三維微觸覺探頭

1.3　電感式探頭

圖8　METAS的三維接觸探頭

瑞士Mecartex公司和METAS(瑞士聯(lián)邦計(jì)量及認(rèn)證局)聯(lián)合研制了一種三維接觸式探頭，如圖8所示[13-14]。該探頭采用了一種新型的機(jī)械機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)限制了自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),并將其平移運(yùn)動(dòng)分為x，y，z三個(gè)方向,使得探頭具有完全的三自由度。每個(gè)方向的移動(dòng)都可由電感傳感器測得。由于該機(jī)構(gòu)中所有的坐標(biāo)軸和探頭有相同的夾角,故重力對各個(gè)軸的影響相同,從而使得探頭在三個(gè)方向上測力相同。在低速測量時(shí)，觸測力為0.5 mN。整臺(tái)三坐標(biāo)測量機(jī)的量程為90 mm×90 mm×38 mm，各軸重復(fù)性誤差小于5 nm，總體精度優(yōu)于30 nm。

1.4　影像式探頭

1)德國PTB的影像式探頭原理如圖9所示[15-17]。在光纖測桿上設(shè)置兩個(gè)探測圓球，其中一個(gè)位于光纖測桿末端作為接觸測量探球，另一個(gè)位于光纖探針的中部作為Z向運(yùn)動(dòng)標(biāo)志，圓球直經(jīng)約為25 μm，光纖測桿直徑為15 μm。以電荷耦合器件(CCD)作為傳感器，搭配測量用顯微鏡頭，分別對兩個(gè)圓球進(jìn)行取像，從測桿末端測球圖像可以解算出該測球在水平方向的位移，從標(biāo)志測球的圖像可以解算出測桿末端測球在豎直方向上的位移，從而實(shí)現(xiàn)三維測量。測量時(shí)，測球與工件之間的接觸力大小等于變形后的光纖測桿的反力，因此該探頭的觸測力極小。再配上取像系統(tǒng)與路徑規(guī)劃軟件，可以根據(jù)測球與工件間的距離實(shí)時(shí)調(diào)整測量速度，所以可節(jié)省測量時(shí)間并提高穩(wěn)定性。該探頭具有0.1 μm的測量不確定度和小于1 μN(yùn)的探頭接觸力。

圖9　德國PTB光學(xué)式三維探頭原理圖

圖10　NIST光纖測桿變形的探頭

2)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局(NIST)與北卡大學(xué)(UNC)共同研發(fā)的探頭，采用圖像測量的辦法感測光纖測桿受力后的變形量，從而實(shí)現(xiàn)對物體輪廓形狀的測量，如圖10所示[18]。經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，將光纖測桿成像在CCD上，當(dāng)探頭接觸物體使光纖測桿產(chǎn)生變形時(shí)，光纖測桿在CCD上的圖像位置也會(huì)跟著改變，經(jīng)圖像處理后，可以判斷測球是否已經(jīng)與工件接觸。該探頭的光纖測桿長為20 mm,光纖測球直徑為75 μm，具有深寬比高的特性，主要用來進(jìn)行內(nèi)孔形狀量測。由于光纖的質(zhì)量極小，使得測量接觸力達(dá)到微牛頓等級，對直徑為100 μm的圓孔測量的不確定度為0.07 μm。

3)韓國Advanced Institute of Science and Technology的Kim等人制成的基于體積測定干涉儀的三維探頭原理如圖11所示。將兩根纖芯粗約2～3 μm的單模光纖的出光端對齊并列放在一起，并且固定在探針上，從兩根光纖出來的光會(huì)發(fā)生干涉，干涉圖像通過CCD來探測。當(dāng)探針被觸碰時(shí)，CCD攝取到圖像的相位也不同。為了通過相位解算出探針前段小球的空間坐標(biāo)，采用了相移法技術(shù)?？刂评p繞光纖的壓電陶瓷可以對光纖進(jìn)行拉伸，從而實(shí)現(xiàn)相移。利用該探頭和自己研制的機(jī)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了300 mm×300 mm×300 mm的量程、1 nm的分辨力和30 nm的測量不確定度[19]。

圖11　韓國接觸式光學(xué)觸發(fā)探頭

4)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的崔繼文等人提出的光纖探頭如圖12所示[20]。在光纖測球上并排裝有兩根光纖桿，激光器中的光通過其中一根光纖耦合射入光纖球，光纖球反射回來的部分光經(jīng)另一根光纖聚焦到CCD攝像機(jī)上面，當(dāng)光纖球受到觸碰時(shí)，CCD上的光斑位置會(huì)發(fā)生變化，以此來作為探頭觸發(fā)與否的判斷依據(jù)。該探頭的測力小于1 μN(yùn)，分辨力為50 nm，觸發(fā)重復(fù)性為60 nm，長徑比大于15。

圖12　哈爾濱工業(yè)大學(xué)光纖探頭原理

圖13　瑞士NTB Interstate大學(xué)的探頭

5)瑞士NTB Interstate大學(xué)提出的探頭如圖13所示，其中圖13(a)為原理，圖13(b)為實(shí)物[21]。光纖探針被固定在一個(gè)懸浮機(jī)構(gòu)上面，位于探針正上方的視覺系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集光纖測球的圖像，通過分析光纖測球在圖像中的位置可以解算出其在水平方向的移動(dòng)量。激光器發(fā)出的光被分成兩路：一路被耦合到光纖探針中，經(jīng)光纖球頭反射后射入視覺系統(tǒng)；另外一路直接射入視覺系統(tǒng)。這兩路光會(huì)發(fā)生干涉，從而可以解算出測球在豎直方向的移動(dòng)量。

1.5　光電式探頭

1)荷蘭Eindhoven大學(xué)提出的高速掃描探頭如圖14所示[22]。在固定探針的立方塊上布置有平面反射鏡，激光器發(fā)出的光照射到平面鏡上，經(jīng)平面鏡反射后由光電探測器接收。三組同樣的裝置可以測量探針的六個(gè)自由度。在70 mm/s的速度下，可以達(dá)到1 μm的不確定度。

圖14　荷蘭Eindhoven大學(xué)的高速探頭

2)東京大學(xué)的Enami等人將準(zhǔn)直激光束經(jīng)過一個(gè)中空的測桿后聚焦在金屬測球上，利用四象限光電探測器(QPD)收集其反射光，如圖15所示[23-25]。當(dāng)測球與工件接觸并位移時(shí)，QPD上接收到的信號(hào)亦將發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。該探頭系統(tǒng)的探測球直徑為3 mm，分辨力為10 nm。

圖15　日本東京大學(xué)的光電式探頭系統(tǒng)

3)我國臺(tái)南科技大學(xué)提出的接觸觸發(fā)式探頭如圖16所示[26]。將探針固定在一個(gè)十字架的中心處，十字架的四個(gè)懸臂分別與四根鋼帶相連，鋼帶的兩端固定在一個(gè)方形框上。在十字架的反面貼有兩片平面反射鏡。測球的位移被轉(zhuǎn)化成平面反射鏡沿豎直方向的平移和偏轉(zhuǎn)。平面鏡的平移和偏轉(zhuǎn)分別通過一個(gè)利用DVD光學(xué)讀取頭改裝的位移傳感器和二維角度傳感器進(jìn)行感測。該測頭預(yù)行程變化范圍小于96 nm，單方向重復(fù)性為46 nm，測量力小于0.1 mN。

圖16　臺(tái)南科技大學(xué)的接觸式測頭

4)合肥工業(yè)大學(xué)劉芳芳等提出了一種基于布拉格光柵傳感器的微納測量探頭，如圖17所示[27]。在懸浮片的端部布置了三個(gè)沿豎直方向的布拉格光柵傳感器，用來感測因探針受到觸碰而導(dǎo)致的懸浮片位移量。該探頭可達(dá)到納米級分辨力和測量重復(fù)性。

圖17　合肥工業(yè)大學(xué)的布拉格光柵探頭

5)瑞士機(jī)床與制造研究所(Institute of Machine Tools and Manufacturing)提出了一種基于斐索干涉儀(Fizeau interferometer)的探頭，如圖18所示[28]。探針裝在一個(gè)懸浮機(jī)構(gòu)上面，懸浮機(jī)構(gòu)的變化通過斐索干涉儀來感測。水平方向的理論分辨力為100 nm，豎直方向的理論分辨力為40 nm。

圖18　瑞士機(jī)床與制造研究所的接觸式測頭

6)日本松下公司的超高精度三維測量儀所用探頭如圖19所示[29]，其中圖19(a)為UA3P-300的原理，采用自動(dòng)聚焦的方式測量探頭豎直方向的位移；圖19(b)為UA3P-L的原理，采用自準(zhǔn)直儀原理來感測探頭在水平方向的位移。這兩臺(tái)設(shè)備均采用直徑為0.5 mm的寶石球，性能指標(biāo)相同，測力約為0.15～0.3 mN，測量重復(fù)性小于50 nm。

圖19　日本松下公司超高精度三維測量儀探頭原理

7)德國伊爾梅瑙(Ilmenau)大學(xué)的Balzer等人將探針固定在懸浮機(jī)構(gòu)上，懸浮片中央布置一塊平面反射鏡，并用單一激光束測量懸浮片縱向位移與橫向的兩個(gè)偏擺角，經(jīng)分光處理后，縱向位移由參考鏡與測量鏡構(gòu)成的干涉儀來測量，達(dá)到1.6 nm以下之分辨力；橫向則是通過四象限傳感器測量沿X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)角度，橫向分辨力為2.7 nm。橫向重復(fù)性達(dá)3.4 nm (k=2)，如圖20所示[30]。

圖20　德國Ilmenau大學(xué)的光電式探頭

8)東京大學(xué)的Yasuhiro Takaya等開發(fā)了一種基于激光捕獲技術(shù)和Mirau干涉儀的探頭系統(tǒng)，如圖21所示[31-32]。

圖21　基于激光捕獲和Mirau干涉儀的探頭系統(tǒng)

微小的電解質(zhì)小球在自身重力和光輻射力的作用下處于平衡狀態(tài)，位于激光聚焦透鏡的焦點(diǎn)處。當(dāng)受到外力時(shí)，小球原有的平衡被破壞并發(fā)生位置移動(dòng)。此時(shí)光輻射力的大小和方向會(huì)跟著變化，使的小球處于新的平衡狀態(tài)。當(dāng)外力被撤去時(shí)，小球可以準(zhǔn)確回到原位置。處予平衡狀態(tài)下的激光捕獲小球?qū)ν饬ψ饔梅浅Ｃ舾?，利用這個(gè)原理可以測量探頭和被測物體之間的微小力的作用。小球的位移再通過Mirau激光干涉儀測出。該探頭最大的優(yōu)點(diǎn)是測球受到的力無需通過彈性元件和懸浮機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳遞，因此使得測量極其微小的力成為可能。

1.6　共振式探頭

1)日本Mitutoyo公司提出以震動(dòng)掃描的方法研制測量探頭，如圖22所示[33-34]。利用壓電材料在測量探針上施加微小振動(dòng)，當(dāng)探針與待測物表面接觸時(shí)，其振幅將縮小。通過感測振動(dòng)用壓電材料輸出的信號(hào)可以知道測球是否和工件接觸，這種感測方式已成功地商業(yè)化成Mitutoyo UMAP Vision System。此系統(tǒng)探針的直徑為30 μm，桿長2 mm，故深寬比高達(dá)66.6，分辨力為0.01 μm，重復(fù)性小于0.1 μm。

圖22　日本Mitutoyo研制的UMAP 130

2)英國NPL也提出了基于共振原理的探頭，如圖23所示[35-36]。該探頭采用三曲枝彈性機(jī)構(gòu)，在每個(gè)曲枝上裝有兩個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器，用來產(chǎn)生振動(dòng)；在每個(gè)曲枝上裝有一個(gè)壓電感測器，用來感測探針的振動(dòng)幅度。未見有該探頭的相關(guān)指標(biāo)公布。

圖23　英國NPL提出的共振式探頭

3)合肥工業(yè)大學(xué)黃強(qiáng)先等提出了一種基于石英音叉的共振式探頭，如圖24所示[37]。在石英音叉的端部裝有一個(gè)球形探針，該音叉的共振參數(shù)對測球受到的作用力非常敏感。測量分辨力可以達(dá)到亞納米級別，同時(shí)測量力極小，三維方向的觸發(fā)測量重復(fù)性約為40 nm。

圖24　基于石英音叉的共振式探頭

1.7　其他探頭

1)在美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院(NIST)提出的分子測量機(jī)上以掃描隧道顯微鏡(STM)的探針作為觸發(fā)探頭，可獲得亞納米級分辨力，如圖25所示[38]。

圖25　美國NIST分子測量機(jī)示意圖

圖26　德國PTB基于AFM探針的探頭原理圖

2)德國PTB的戴高良等人為了解決微小工件側(cè)面檢測的問題，提出了一種由原子力顯微鏡(AFM)探針、彈性懸臂和光學(xué)位置感測系統(tǒng)組成的探頭，如圖26所示[39]。原子力顯微鏡探針起瞄準(zhǔn)作用，當(dāng)針尖遇到被測表面時(shí)，彈性懸臂會(huì)發(fā)生變形，其變形量由激光位置感測系統(tǒng)來感測。該探頭繼承了原子力顯微鏡靈敏度高、分辨力高、測力小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了原子力顯微鏡存在的針尖與懸臂距離太近的缺點(diǎn)。與激光干涉儀對比測量的偏差小于3 nm。

綜上可知：①微納測量探頭一直是世界各國研究的熱點(diǎn)；②起位移傳遞作用的彈性機(jī)構(gòu)和測量傳感器是探頭研制的關(guān)鍵所在；③探頭的發(fā)展方向是高精度、小測力、大量程等；④現(xiàn)有探頭各具特點(diǎn)，但同時(shí)具備高精度、小測力、大量程等幾個(gè)要素的探頭極少。作者團(tuán)隊(duì)一直關(guān)注微納測量探頭的研究進(jìn)展，并持續(xù)地開展相關(guān)研究，至今已有超過15年的時(shí)間。后文將分別就作者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的各種彈性機(jī)構(gòu)、研制的各種光學(xué)傳感器以及開發(fā)的幾種微納測量探頭進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2　彈性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　彈性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的幾個(gè)問題

彈性機(jī)構(gòu)的作用是把測球在三維方向上的位移轉(zhuǎn)化成方便傳感器測量的物理量。在設(shè)計(jì)彈性機(jī)構(gòu)之前，我們需要考慮幾個(gè)基本問題。第一，當(dāng)探頭工作在最大測量力的情況下，應(yīng)保證測球和被測件均不發(fā)生塑性變形。換句話說，掃描探頭工作在最大行程時(shí)的測力大小應(yīng)該同時(shí)小于測球和被測件剛好發(fā)生塑性變形時(shí)的測力大小(稱兩者中較小的那個(gè)力為探頭的最大允許測量力)。第二，測球與被測件的相對觸碰速度應(yīng)該有一個(gè)上限，否則會(huì)導(dǎo)致觸碰力大于探頭的最大允許測量力，進(jìn)而損壞探頭或者被測件。第三，探頭的固有振動(dòng)頻率不應(yīng)該太低，起碼應(yīng)該避開探頭工作環(huán)境的常見低頻振動(dòng)干擾。第四，當(dāng)探頭工作在最大行程時(shí)，彈性機(jī)構(gòu)中的彈性元件不會(huì)發(fā)生塑性變形。

2.1.1探頭最大允許觸測力計(jì)算

測球與被測件的接觸應(yīng)力必須小于被測件或測球的屈服應(yīng)力，由赫茲彈性接觸理論可知，測球與被測件之間容許的最大接觸力Fy計(jì)算公式為[22，40]

(1)

(2)

式中：r為測球半徑；σY為被測工件的屈服應(yīng)力極限；Er為彈性模量；E1，E2，ν1，ν2分別為測球與被測工件的楊氏模量和泊松系數(shù)。

從式(1)和式(2)可以看出，探頭允許的最大觸測力與測球的半徑以及測球和被測件的材料有關(guān)?？紤]到在實(shí)踐過程中，存在不同材料的測球和被測件，而且測球的半徑也有所不同，方便起見，在此列出測球和被測件常見材料及其參數(shù)(見表1和表2)，并且計(jì)算出不同組合情況下的探頭最大允許測力值(見表3)。

表1　常見測球的材料參數(shù)[41]

表2　常見被測件的材料參數(shù)

表3　最大允許測力的計(jì)算結(jié)果

2.1.2探頭允許的最大觸碰速度

當(dāng)測球與被測工件以相對速度v0碰在一起的瞬間，測球與被測工件之間的碰撞力Fimp的大小如式(3)所示[9]。

(3)

(4)

以表1中所列紅寶石為測球，以表2中所列6061合金鋁為被測件，畫出不同等效質(zhì)量情況下最大允許觸測速度隨測球半徑的變化，如圖27所示。

圖27　最大允許觸碰速度與測球半徑和等效質(zhì)量的關(guān)系

從圖27可以明顯看出，在被測件已經(jīng)確定的情況下，增大測球直徑和減小探頭等效質(zhì)量均可提高最大允許觸碰速度，但是這兩個(gè)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，無法獨(dú)立改變其中的一個(gè)。當(dāng)?shù)刃з|(zhì)量接近測球質(zhì)量的情況下，減小測球密度是提高最大允許觸測速度的一個(gè)有效方法。

2.1.3探頭的固有振動(dòng)頻率

提高最大允許觸碰速度，有利于提高三坐標(biāo)測量機(jī)整體的測量速度，縮短測量時(shí)間。但是，當(dāng)測球與被測工件以一定的相對速度發(fā)生碰撞時(shí)，測球獲得一定的能量，致使測球不會(huì)馬上和被測工件緊貼在一起，而是在被測工件表面發(fā)生連續(xù)的彈性碰撞，直到碰撞初始獲得的能量衰減掉為止，發(fā)生連續(xù)彈性碰撞的過程中探頭的示值會(huì)不穩(wěn)定，包含有動(dòng)態(tài)誤差。測球與被測件的相對觸碰速度越大，彈性碰撞持續(xù)的時(shí)間就越長，探頭的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性也就越差。

既然測球與被測件連續(xù)的彈性碰撞無法避免，那我們只能設(shè)法減小他帶來的影響。如果測球獲得的能量能在測球和被測件相對靜止前衰減掉，那么對測量就沒有影響。彈性機(jī)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率越高，測球能量衰減的就越快。因此，彈性機(jī)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率不能太低，起碼要達(dá)到上百赫茲，至于這個(gè)固有振動(dòng)頻率至少應(yīng)該達(dá)到多少赫茲，需要根據(jù)測球的材料和尺寸、三坐標(biāo)測量機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及具體的測量和控制策略而定。另外，探頭固有頻率高還有幾個(gè)好處：第一，有助于削弱測球自由振蕩的幅度；第二，有助于縮短測球與被測件的接觸反映時(shí)間，從而有利于實(shí)現(xiàn)快速測量；第三，有助于避免探頭與周圍環(huán)境中的一些低頻振動(dòng)發(fā)生共振，可以提高探頭的抗干擾能力。

2.2　彈性機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

圖28　基于簧線的彈性機(jī)構(gòu)示意圖

彈性機(jī)構(gòu)主要包括三個(gè)部分，即彈性元件、懸浮機(jī)構(gòu)和探針。如果采用光電傳感器感測懸浮片的變化，通常在懸浮片上設(shè)置平面反射鏡。彈性元件是彈性機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵，因其直接決定探頭的性能。為了確保探頭的高靈敏度，作者團(tuán)隊(duì)最初采用簧線作為彈性元件，分別設(shè)計(jì)了如圖28(a)和(b)所示的三簧線和四簧線方案，在這個(gè)兩個(gè)方案中，簧線都是分別拉緊的，存在的問題是幾根簧線的張緊力很難做到相同，從而影響彈性機(jī)構(gòu)的各向同性。為了克服這個(gè)問題，作者提出了如圖28(c)所示的一根線張緊方案。在固定環(huán)上面沿徑向打6個(gè)直徑與懸線直徑相當(dāng)?shù)墓饪?孔1～6)，并經(jīng)過拋光和倒角處理；在固定環(huán)上沿徑向打一個(gè)M 2的螺紋孔，其中孔1，2，3，4在圓周上對稱分布，孔5，6和M 2螺紋孔在孔3和孔4之間等間隔布置。在懸浮片的徑向也打兩個(gè)同樣直徑的孔，然后采用一根較長的簧線，按照圖28(d)所示的那樣以一定的順序?qū)腋∑凸潭ōh(huán)穿繞起來，并將懸線的兩頭扎在一起，這樣就形成了一個(gè)“閉環(huán)”，然后通過旋轉(zhuǎn)位于固定環(huán)上的M2螺釘去頂懸線的方式，將一根封閉的懸線張緊，每根線的張緊力自然是一樣的。

簧線方案的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、探頭的測力小，不足之處是長時(shí)間穩(wěn)定性較差。為了解決這個(gè)問題，作者用彈性簧片代替了簧線，并設(shè)計(jì)了兩簧片、三簧片和四簧片方案，如圖29所示。不同的方案、不同的簧片參數(shù)，探頭的剛度也不同。同時(shí)為了獲得更好的對稱性和穩(wěn)定性，作者還設(shè)計(jì)了如圖30所示的各種彈性元件方案。

圖29　基于簧片的彈性機(jī)構(gòu)示意圖

圖30　四種不同形狀的彈性簧片

2.3　彈性機(jī)構(gòu)的力學(xué)建模[42]

探頭的剛度決定了探頭的測量力和固有頻率。為了準(zhǔn)確控制探頭的測量力，通常需要建立探頭的剛度模型。在此以常用的四簧片彈性機(jī)構(gòu)為例(如圖31所示)，介紹其力學(xué)分析和建模的詳細(xì)過程。

圖31　四簧片機(jī)構(gòu)示意圖

2.3.1豎直方向的剛性模型

當(dāng)測球受到豎直方向的測力時(shí)，四片簧片的變形相同，如圖32所示。此時(shí)，每片簧片可以被看作一個(gè)懸臂梁，受力分析如圖33所示，圖中P為剪力，M為彎矩，剪力P和彎矩M是懸浮片對簧線的反作用。

根據(jù)彈性力學(xué)的原理，在剪力和彎矩的作用下，簧片自由端的撓度和轉(zhuǎn)角見表4。

圖32簧片在豎直方向作用力下的變形

圖33簧片的受力分析

表4　在剪力和彎矩的作用下簧片自由端的撓度和轉(zhuǎn)角

根據(jù)邊界條件，簧片與懸浮片相接的一端的轉(zhuǎn)角為零，即θ1=θ2。所以，可求出彎矩M為

M=(PL)/2

(5)

由于懸浮片可以被看作一個(gè)剛體，故簧片與懸浮片相接一端的位移(δZ)與測球的位移大小相等。

δb,Z=δ1-δ2

(6)

分別將δ1，δ2和M代入式(6)，即可算出在豎直方向力FZ的作用線測球的位移?？紤]到是對稱分布的四個(gè)簧片共同支撐懸浮片，所以有P=FZ/4，進(jìn)而可得簧片彈性機(jī)構(gòu)豎直方向的剛度模型為

(7)

該分析方法同樣適用于對稱分布的N個(gè)簧片支撐的情況。支撐的簧片數(shù)量越多，探頭在豎直方向的剛度越大。

2.3.2水平方向的剛性模型

當(dāng)測球受到沿Y方向的力的作用時(shí)，彈性機(jī)構(gòu)的受力如圖34所示。 每一個(gè)簧片均和與之相接的懸臂垂直，均可被看作是一個(gè)彈性懸臂梁。在這種情況下，作用在懸臂上的彎矩的反作用對簧片來說是扭矩，作用在懸臂上的扭矩的反作用對簧片來說是彎矩，在豎直方向上作用在懸臂和簧片上的力大小相等，方向相反。因?yàn)閼冶酆突善蔷o固在一起的，所以在他們相接的地方，兩者的位移和轉(zhuǎn)角均相同。從圖34可以看出，當(dāng)測球受到沿Y方向的作用力時(shí)，懸臂1和2有豎直方向上的位移，懸臂3和4只有轉(zhuǎn)角。此時(shí)，簧片4和簧片1的變形分別如圖35所示?；趯ΨQ原理，簧片1與簧片2以及簧片3與簧片4的變形大小相同、方向相反?？紤]到簧片的寬厚比大于10，故簧片自由端在水平方向上的位移可以忽略。

圖34　懸浮片的受力圖

圖35　簧片4和簧片1的變形圖

由于受到扭矩的作用，在簧片1的端部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)角

矩形截面懸臂梁的極慣性矩公式為

式中：w為懸簧片截面的寬度；t為簧片橫截面的厚度。當(dāng)w/t大于10時(shí)，J可以簡化為

考慮到簧片1被緊固在懸浮片的懸臂上，那么簧片1的扭轉(zhuǎn)角就等于懸臂的轉(zhuǎn)角，故

所以，有

(8)

其中，

(9)

式中：ν為簧片材料的泊松比。

從圖34可以看出，F(xiàn)Y的作用與 2rPZ，MX和T′三者的疊加作用效果平衡。作用在懸臂上的彎矩MX與作用在簧片上的扭矩T1大小相等，作用在懸臂上的扭矩(MY)與作用在簧片上的彎矩M1大小相等。對于簧片1來說，其在與懸臂相接點(diǎn)處沿豎直方向的撓度和轉(zhuǎn)角大小分別等于懸臂在該點(diǎn)沿豎直方向的撓度和轉(zhuǎn)角的大小，分別表示為

(10)

(11)

(12)

由于作用在簧片4末端的彎矩M2是懸臂4所受扭矩T′的反作用，所以簧片4末端的轉(zhuǎn)角大小等于懸浮片的轉(zhuǎn)角。另外，該點(diǎn)沿豎直方向上的撓度為零。因此，此處必定有一個(gè)反作用力P2。從表4可知，轉(zhuǎn)角的大小為

(13)

簧片1末端在豎直方向上的撓度可以表示為

(14)

聯(lián)立式(13)和式(14)，可得T′(=M2)，則

(15)

由于MX=T及PZ=P1，所以可以列出圖34所示懸浮片的平衡方程為

(16)

將式(9)代入式(16)可得

(17)

代入J和I=wt3/12后，式(17)可以寫成：

(18)

故在Y方向上的剛度為

(19)

由于彈性機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)在水平方向上是對稱的，所以其在水平方向各角度的剛度也是一樣的。

2.4　參數(shù)優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

2.4.1參數(shù)優(yōu)化

先結(jié)合實(shí)際設(shè)定表5中所示的彈性機(jī)構(gòu)參數(shù)，并將這些參數(shù)分別代入式(7)和式(19)即可算出，探頭豎直方向的剛度為0.473 N/m，20 mm位移對應(yīng)的測力為9.5 mN，探頭水平方向的剛度為0.583 N/m，20 mm位移對應(yīng)的測力為11.7 mN，水平方向的硬度要稍大于豎直方向。

表5　探頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)探頭在各個(gè)方向的等剛性，可以調(diào)整探針的長度l。令式(7)等于式(19)可得

(20)

將表5中除測桿長度l之外的參數(shù)全部代入式(20)可以解出l的值為11.097 mm，此時(shí)KY等于KZ(0.473 N/mm)。從而實(shí)現(xiàn)了探頭彈性機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。

2.4.2仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性，對表5所示參數(shù)的探頭進(jìn)行了ANSYS仿真。當(dāng)測桿l長為11 mm時(shí)，沿水平方向施加9.5 mN力時(shí)測球的位移為22.2 μm，如圖36(a)所示；沿豎直方向施加9.6 mN力，測球的位移為20.7 μm，如圖36(b)所示。表6分別列出了測桿長為10 mm和11 mm時(shí)的理論計(jì)算和仿真的數(shù)據(jù)。從表6可以看出，仿真的結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致，偏差小于1%。

圖36　基于Z形簧片彈性機(jī)構(gòu)的剛性仿真結(jié)果

測桿長/mm理論分析Kh∶Kv仿真Kh∶Kv100.583∶0.4730.546∶0.464110.473∶0.4730.427∶0.464

模態(tài)分析效果如圖37所示。該彈性機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果見表7?？紤]到探頭用于準(zhǔn)靜態(tài)測量，因此75 Hz的一階固有頻率是可以的。

3　傳感器原理

3.1　共焦位移傳感器

DVD光學(xué)讀取頭是一個(gè)高度集成的產(chǎn)品，價(jià)格非

圖37　基于Z形簧片的彈性機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析效果

階數(shù)固有頻率/Hz175215331534236252372

常便宜，但是精度非常高，其原理如圖38所示。發(fā)光二極管產(chǎn)生的光經(jīng)光柵后被分成三束光，這三束光經(jīng)過一個(gè)四分之一波片后打在偏振分光棱鏡的分界面上，p光透射，s光被反射，s光經(jīng)過四分之一波片后通過準(zhǔn)直透鏡變成平行光，再經(jīng)過一個(gè)全息物鏡后聚焦在DVD盤面上。聚焦光束經(jīng)DVD盤面反射后沿原路返回，再次經(jīng)過四分之一波片后變成p光，p光透過偏振分光棱鏡，避免了從光盤反射回來的光束回到發(fā)光二極管，從而使光強(qiáng)更加穩(wěn)定。透過偏振分光棱鏡的光束經(jīng)過一個(gè)象散透鏡后打在四象限傳感器(four-quadrant photo detector)A，B，C，D上。根據(jù)象散原理，光盤反射面在全息物鏡焦點(diǎn)附近移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致打在四象限傳感器上的光斑的形狀發(fā)生變化，四象限傳感器會(huì)根據(jù)光斑在四個(gè)象限上的分布，計(jì)算并輸出聚焦誤差電壓信號(hào)FES (Focus Error Signal)。這個(gè)聚焦誤差信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大、補(bǔ)償處理，驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)VCM (Voice Coil Motor)并帶動(dòng)聚焦透鏡一起沿光軸方向運(yùn)動(dòng)，直到聚焦點(diǎn)恰好與反射面重合，從而達(dá)到自動(dòng)鎖焦的目的。

圖38　DVD光學(xué)讀取頭的原理

若將音圈電機(jī)去掉，使聚焦透鏡固定不動(dòng)，則系統(tǒng)輸出的聚焦誤差信號(hào)與聚焦點(diǎn)偏離反射面的距離在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系(如圖39所示)，由于聚焦誤差信號(hào)具有高分辨力與高精度的特性，適合用來發(fā)展納米級的位移感測系統(tǒng)。

圖39　聚焦誤差信號(hào)的S曲線

去掉DVD光學(xué)讀取頭上的音圈電機(jī)，用一個(gè)專門設(shè)計(jì)的鏡筒將聚集透鏡固定(保持光軸重合)，為了減小整個(gè)系統(tǒng)的體積，用一個(gè)直角棱鏡對光路進(jìn)行了轉(zhuǎn)折，改造后的共焦位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖40所示。

3.2　二維角度傳感器

如果去掉DVD光學(xué)讀取頭中的聚焦透鏡和音圈電機(jī)，讓DVD角度傳感器出來的準(zhǔn)直光束直接投射在一個(gè)平面反射鏡上，經(jīng)平面反射鏡反射后的準(zhǔn)直光束也會(huì)回到四象限傳感器，四象限感測器上光點(diǎn)形狀和位置的變化就反映了平面反射鏡角度的變化，如圖41所示。根據(jù)式(21)和(22)，通過相應(yīng)的處理電路可以將四象限傳感器上光點(diǎn)形狀和位置的變化轉(zhuǎn)化為不同的電壓信號(hào)輸出，水平二維方向角度θX,θY分別與兩路輸出電壓信號(hào)VA，VB，VC，VD對應(yīng)，并且在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，從而可實(shí)現(xiàn)對角度的測量。

圖40　基于DVD光學(xué)讀取頭的共焦位移傳感器

圖41　基于DVD光學(xué)讀取頭的二維角度傳感器原理

θX=K[(VA+VB)-(VC+VD)]

(21)

θY=K[(VB+VC)-(VA+VD)]

(22)

式中：K數(shù)值與簧片長度L有關(guān)。

由去掉聚焦透鏡和音圈電機(jī)的Hitachi HOP-1000型DVD光學(xué)讀取頭、直角棱鏡和內(nèi)徑為6 mm的套筒三部分組成的二維角度傳感器如圖42所示。直角棱鏡的作用是對光路進(jìn)行轉(zhuǎn)折，以減小探頭的整體體積；增加套筒是為了方便調(diào)整，可以輔助判斷反射光有無沿原光路返回。實(shí)驗(yàn)測得的S曲線如圖43所示。

圖42　基于DVD讀取頭的二維角度傳感器的實(shí)物圖

圖43　DVD角度傳感器的S曲線

為了克服DVD光學(xué)讀取頭外形尺寸及其內(nèi)部光學(xué)元件參數(shù)的限制，開發(fā)了基于自準(zhǔn)直儀原理的二維角度傳感器，原理如圖44所示。激光器(LD)發(fā)出的平行光束(NPBS)，經(jīng)過分光棱鏡，打在平面反射鏡(測量鏡OM)上并被反射，反射回來的光束再次經(jīng)過分光棱鏡，部分光束會(huì)經(jīng)過透鏡(FL)，聚焦在四象限感測器上(QPD)。當(dāng)測量鏡有角度變化時(shí)，聚焦在四象限傳感器上的光點(diǎn)的位置就會(huì)有相應(yīng)的變化，從而能感測平面反射鏡二維方向的偏角。

圖44　基于自準(zhǔn)直儀原理的二維角度傳感器原理圖

3.3　邁克爾遜干涉儀

Michelson干涉儀的光路原理如圖45(a)所示。激光器發(fā)出的準(zhǔn)直光束通過分光棱鏡后分為兩路，透射光到測量鏡，反射光到靜止的參考鏡。從測量鏡和參考鏡反射回來的光再次經(jīng)過棱鏡后會(huì)合產(chǎn)生干涉。

通常根據(jù)Michelson原理設(shè)計(jì)的干涉儀使用相干長度很長的He-Ne激光，體積較大，不適合在探頭內(nèi)集成。為此，本研究采用半導(dǎo)體激光器為光源，制成了一種適合小位移測量的小型Michelson干涉儀，量程大約為1 mm，并且還有防止反射光回授到激光器造成干擾的功能，原理如圖45(b)所示。

圖45　Michelson干涉儀的光路原理圖

從激光器發(fā)出的激光束被偏振分光棱鏡PBS1分成透射的P光和反射的S光。S光和P光分別被測量鏡和參考鏡反射，兩次穿過1/4波片，原先的S光被轉(zhuǎn)化為P光，P光被轉(zhuǎn)化為S光，則反射光線不會(huì)回授到激光器，而是會(huì)合后一起射入Q3，從Q3射出的兩路光分別為右旋和左旋偏振光，疊加后不會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。NPBS分別將右旋和左旋偏振光分成光強(qiáng)相等的兩束光，并射入PBS2和PBS3。PBS2將來自于NPBS的右旋和左旋偏振光轉(zhuǎn)換成兩束相干涉的P光和兩束相干涉的S光。PBS3與NPBS呈45°夾角布置(PBS3的快軸為45°方向)，也會(huì)將來自于NPBS的右旋和左旋偏振光轉(zhuǎn)換成兩束相干涉的P光和兩束相干涉的S光。因此，從PBS2和PBS3出來的四對干涉光的相位分別為0°，90°，180°和270°，四對干涉光分別由四個(gè)光電探測器(PD1，PD2，PD3和PD4)來探測。通過瓊斯矩陣推導(dǎo)，可得出四個(gè)光電探測器上的信號(hào)分別為

IPD1=A[1+cos(2Δω·t)]

(23)

IPD2=A[1-cos(2Δω·t)]

(24)

IPD3=A[1-sin(2Δω·t)]

(25)

IPD4=A[1+sin(2Δω·t)]

(26)

由于在測量過程中，測量光和參考光之間的光程差幾乎不可能恰好等于半波長的整數(shù)倍，所以存在初相位Δω，其大小為

(27)

式中：Δl為參考光和測量光之間的光程差；λ為激光波長；n為介質(zhì)的折射率。

對四路信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算[即(IPD1-IPD2)和 (IPD4-IPD3)]，可得到兩路相位差為90°的正交信號(hào)，分別記為cosφ和sinφ，由兩路正交信號(hào)合成的李薩裕圓如圖46所示。

圖46　兩路相位差為90°的正交信號(hào)

4　探頭設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

微納三坐標(biāo)測量機(jī)探頭通常由三個(gè)部分組成，即傳感器、彈性機(jī)構(gòu)和測球測桿。當(dāng)測球與被測件接觸后，作用在測球上的力經(jīng)過測桿傳遞給彈性機(jī)構(gòu)，彈性機(jī)構(gòu)同時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形，從而將測球在三維空間上的位移分別轉(zhuǎn)化成彈性機(jī)構(gòu)的位移或者角度變化，彈性機(jī)構(gòu)的位移或角度變化則由傳感器測出。在十多年的研究過程中，作者團(tuán)隊(duì)研制了多個(gè)微納測量探頭，下文將根據(jù)感測原理不同進(jìn)行分類介紹。

4.1　基于四個(gè)DVD光學(xué)讀取頭的探頭[43]

圖47所示為基于四個(gè)DVD光學(xué)讀取頭的接觸掃描式探頭結(jié)構(gòu)。四個(gè)由DVD光學(xué)讀取頭改裝成的共焦位移傳感器間隔90°豎直安裝在探頭的固定殼體內(nèi)，探頭前端的彈性機(jī)構(gòu)由四根金屬簧線和一個(gè)懸浮片組成,如圖48所示。懸浮片上均勻分布的延伸懸臂用于固定共焦位移傳感器所需的反射鏡，懸浮片中心固定掃描探針。非接觸狀態(tài)下共焦位移傳感器輸出的聚焦誤差信號(hào)(FES)為零。當(dāng)探針前端的測球受到水平方向的測力時(shí)，探針帶動(dòng)懸浮片繞固定簧線轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)測球受到豎直方向的測力時(shí)，探針帶動(dòng)懸浮片一起產(chǎn)生Z向的運(yùn)動(dòng)。懸浮片位置的變化導(dǎo)致反射鏡偏離共焦位移傳感器的焦平面，共焦位移傳感器中四象限光電傳感器的輸出從而發(fā)生改變，同樣根據(jù)FES-位移曲線，可以計(jì)算出探針的位移變化量。

圖47　基于四個(gè)DVD光學(xué)讀取頭的探頭結(jié)構(gòu)與外觀示意圖

圖48　探頭前端彈性機(jī)構(gòu)照片

四個(gè)DVD接觸掃描式探頭實(shí)現(xiàn)了高精度和微小測力的實(shí)驗(yàn)效果。該探頭觸發(fā)重復(fù)性可達(dá)10 nm，預(yù)行程變化量在水平方向上小于15 nm，水平方向測量力平均值為109 mN，豎直方向測量力平均值僅為59 mN。但是采用簧線方式固定彈性機(jī)構(gòu)，簧線的張力大小無法精確控制，張力大小隨時(shí)間的延續(xù)而變化，探頭的測量重復(fù)性會(huì)變差。同時(shí),DVD激光讀取頭作為集成在播放光驅(qū)中的感測元件，其縱向尺寸小，橫向尺寸大，集成使用四個(gè)DVD讀取頭使得探頭的橫向尺寸偏大。

4.2　基于兩個(gè)DVD光學(xué)讀取頭的探頭

探頭系統(tǒng)的重量和體積決定了三坐標(biāo)測量機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)載荷。對于高精度的測量系統(tǒng)來說，小巧的探頭結(jié)構(gòu)有利于探針與被測工件表面的接觸，特別是一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件。為了減小四個(gè)DVD探頭橫向尺寸偏大的不足，設(shè)計(jì)了基于兩個(gè)DVD光學(xué)讀取頭的探頭[44]，其感測如圖49所示?；贒VD光學(xué)讀取頭的二維角度傳感器用于感測安裝于懸浮片上的反射鏡在水平方向的角度變化，另一基于DVD光學(xué)讀取頭的共焦位移傳感器用于感測懸浮片中心反射鏡在豎直方向的位移變化。探頭前端的懸浮結(jié)構(gòu)如圖50所示。

圖49　基于兩個(gè)DVD光學(xué)讀取頭的探頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖50　探頭前端懸浮結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際測量中，當(dāng)測量范圍在0.5 μm內(nèi)時(shí)，該探頭的三軸測量重復(fù)性在10 nm以內(nèi)?；陔pDVD光學(xué)讀取頭結(jié)構(gòu)的探頭體積上占有較大優(yōu)勢，盡管DVD讀取頭在縱向有著極高的分辨力，但是基于DVD光學(xué)讀取頭的共焦位移傳感器的量程只有不到5 μm，因此限制了探頭的測量范圍。

4.3　基于DVD光學(xué)讀取頭和邁克爾遜干涉儀的探頭

為了增加探頭的量程，以邁克爾遜干涉儀替換圖49中的共焦位移傳感器，水平方向依然利用基于DVD光學(xué)讀取頭的二維角度傳感器[45-46]，但是為了擴(kuò)大角度測量范圍，用一個(gè)感光面積更大的四象限感測器(QPD)替換DVD光學(xué)讀取頭中原來集成的QPD，彈性機(jī)構(gòu)采用如圖29(c)所示的四簧片方案，探頭結(jié)構(gòu)示意圖和照片如圖51所示。當(dāng)固定于懸浮片中心的探針受到碰觸時(shí)，四片鈹青銅簧片產(chǎn)生受力形變，導(dǎo)致懸浮片上固定的平面反射鏡發(fā)生角度的偏轉(zhuǎn)或者位移，布置在探頭中的邁克爾遜干涉儀負(fù)責(zé)感測測球沿豎直方向的運(yùn)動(dòng)，基于DVD光學(xué)讀取頭的二維角度傳感器負(fù)責(zé)感測測球沿水平方向的位移，由此實(shí)現(xiàn)對被測物體三維形貌的感測。

圖51　基于DVD光學(xué)讀取頭和邁克爾遜干涉儀的探頭結(jié)構(gòu)示意圖

該接觸掃描式探頭的橫向尺寸只有三十多毫米，該探頭的水平方向的量程為±10 μm，豎直方向的量程為20 μm，單方向測量重復(fù)性為40 nm，剛度約為小于0.5 N/μm。不足之處包括：封閉的圓筒結(jié)構(gòu)導(dǎo)致探頭初始信號(hào)的調(diào)零比較困難(調(diào)整時(shí)看不到四象限光電感測器上的光點(diǎn))；采用商用的DVD讀取頭，固定起來不太方便；探頭的長時(shí)間穩(wěn)定性還不夠好。

4.4　基于共光路原理的探頭

為克服圖51所示探頭存在的不足，在繼續(xù)保留基于DVD光學(xué)讀取頭的二維角度傳感器基本原理(自準(zhǔn)直儀原理)的基礎(chǔ)上，放棄了DVD光學(xué)讀取頭的具體形態(tài)，選用激光器、四象限傳感器、準(zhǔn)直透鏡等光電器件，按照自準(zhǔn)直儀原理組成了一套新的二維角度傳感器。同時(shí)為了減少器件、節(jié)約空間、減少懸浮機(jī)構(gòu)平面反射鏡的數(shù)量，使得新組建的二維角度傳感器與邁克爾遜干涉儀共用一個(gè)激光器，采用共光路的形式將邁克爾遜干涉儀和自準(zhǔn)直儀角度傳感器融合在一起，共用一個(gè)激光器，共用一塊測量鏡，這樣就組成一個(gè)共光路測量系統(tǒng)，可以同時(shí)感測測量鏡的位移和二維偏轉(zhuǎn)角度[47]，具體原理如圖52所示。在邁克爾遜干涉儀測量光路中間加一個(gè)非偏振分光棱鏡，將測量鏡反射回的光部分轉(zhuǎn)折到自準(zhǔn)直儀中，這樣測量鏡的位移可以由邁克爾遜干涉儀感測，測量鏡的二維角度由自準(zhǔn)直儀角度傳感器感測，由此構(gòu)成了三自由度光學(xué)傳感器。彈性機(jī)構(gòu)采用圖30中的V自行簧片，只需要在懸浮片的中心位置布置一片平面反射鏡即可，其實(shí)物照片如圖53所示。

圖52　光路測量原理示意圖　　　　　圖53　基于共光路原理探頭實(shí)物圖

共光路結(jié)構(gòu)探頭的測量力小于1 N/mm，水平方向的測量量程為±10 μm，豎直方向20 μm，探頭剛度小于1 N/mm。三軸測量重復(fù)性為30 nm。在溫度變化小于0.1 ℃的情況下，探頭在3 h內(nèi)的最大漂移量為：水平方向80 nm，豎直方向125 nm。

4.5　基于并聯(lián)光路原理的探頭

對于共光路結(jié)構(gòu)探頭來說，當(dāng)測球因受力而沿豎直方向移動(dòng)時(shí)，貼在懸浮機(jī)構(gòu)上的平面反射鏡以平動(dòng)為主，測量不存在問題，探頭三個(gè)方向的輸出數(shù)據(jù)均正常；而當(dāng)測球因受力而沿水平方向移動(dòng)時(shí)，貼在懸浮機(jī)構(gòu)上的平面反射鏡以轉(zhuǎn)動(dòng)為主，此時(shí)二維角度傳感器可以將反射鏡的偏轉(zhuǎn)角度感測出來沒有問題，但是反射鏡的偏轉(zhuǎn)會(huì)造成邁克爾遜干涉儀測量光束與參考光束相互分離，分離程度與反射鏡的轉(zhuǎn)角和反射鏡到光電池之間的光程成正比，分離到一定程度時(shí)邁克爾遜干涉儀的輸出就會(huì)發(fā)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致不能正常測量。

為提高邁克爾遜干涉儀的抗反射偏擺能力，在邁克爾遜干涉儀測量鏡前布置一個(gè)焦距為f的透鏡，并使測量鏡位于聚焦透鏡的焦點(diǎn)位置。當(dāng)測量鏡轉(zhuǎn)過θ角后，轉(zhuǎn)動(dòng)前后的反射光束之間產(chǎn)生的偏移量Δshift確定，大小為2f·θ，如圖54圖所示。從這個(gè)角度來說，聚焦透鏡的焦距越小，邁克爾遜干涉光路的抗偏擺能力就越強(qiáng)；但是對于一定大小口徑的透鏡來說，焦距越短，豎直孔徑就越大，景深就越小，在反射鏡離開焦點(diǎn)同樣距離的情況下，景深越小反射光束的光強(qiáng)越弱，干涉信號(hào)越差。因此，應(yīng)該根據(jù)探頭的結(jié)構(gòu)尺寸和量程要求綜合選用合適的聚焦透鏡。

圖54　測量鏡偏擺時(shí)反射光束的變化情況

通過增加聚焦透鏡的方式，可以顯著提高邁克爾遜干涉儀的抗偏擺性能，但是經(jīng)聚焦透鏡表面反射的光在四象限傳感器上會(huì)產(chǎn)生寄生影響。如果要在此基礎(chǔ)上消除這種寄生影響又會(huì)使得系統(tǒng)變得非常復(fù)雜，調(diào)整更加困難。在權(quán)衡利弊之后，作者團(tuán)隊(duì)決定選擇兩個(gè)激光器的并聯(lián)光路方案，即邁克爾遜干涉儀負(fù)責(zé)測量布置在懸浮片中央反射鏡沿豎直方向上的位移，自準(zhǔn)直儀角度傳感器負(fù)責(zé)感測布置在懸浮片邊緣平面反射鏡的角度。在邁克爾遜干涉儀下方增加一個(gè)聚焦透鏡，以克服探頭B存在的量程問題；自準(zhǔn)直儀角度傳感器采用與邁克爾遜干涉儀獨(dú)立的光路以避免寄生影響的問題，并聯(lián)光路原理探頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖55所示[48]。

圖55　并聯(lián)光路原理探頭結(jié)構(gòu)示意圖

并聯(lián)光路探頭設(shè)計(jì)相比于共光路結(jié)構(gòu)探頭有了較大進(jìn)步，探頭分辨力為1 nm，剛度約為小于0.5 N/mm，水平方向測量量程為±20 μm，豎直方向20 μm。測量重復(fù)性精度小于30 nm，恒溫環(huán)境下(20℃±0.05 ℃)，探頭1 h內(nèi)的測量漂移小于30 nm。

4.6　基于三個(gè)邁克爾遜干涉儀的掃描探頭

采用三個(gè)邁克爾遜干涉儀作為測量傳感器可以大幅度提高水平方向的測量分辨力，圖56所示為基于三個(gè)邁克爾遜干涉儀的掃描探頭結(jié)構(gòu)示意圖[49]。在測量時(shí)，懸浮片上的三個(gè)反射鏡的偏轉(zhuǎn)，分別被所對應(yīng)的邁克爾遜干涉感測，原理如圖57所示。該探頭在XYZ三個(gè)方向上的觸發(fā)重復(fù)性分別為5，3 nm以及11 nm，測量行程為20 μm,不足之處是探頭的橫向尺寸較大。

圖56　基于三個(gè)邁克爾遜干涉儀的掃描探頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖57　探頭測量示意圖

4.7　基于單個(gè)光學(xué)傳感器的觸發(fā)測量探頭

邁克爾遜干涉儀雖然保證了探頭豎直向測量的高重復(fù)性精度，但是多鏡組的成本使得探頭的造價(jià)較高，體積也大；干涉儀對測量環(huán)境要求較高，對溫度、震動(dòng)、濕度、空氣折射率等外界條件敏感?？紤]到實(shí)際應(yīng)用的多數(shù)情況下，只需要探頭有觸發(fā)功能即可。于是在掃描探頭研制的基礎(chǔ)上，通過簡化結(jié)構(gòu)、降低成本研制出了基于單個(gè)光學(xué)傳感器的觸發(fā)測量探頭，示意圖如圖58所示[50]。

圖58　基于單個(gè)光學(xué)傳感器探頭的結(jié)構(gòu)示意圖

該探頭由彈性機(jī)構(gòu)、基于自準(zhǔn)直原理的光學(xué)傳感器以及探頭筒體組成。光學(xué)傳感器是由激光器及其調(diào)整裝置、平面反射鏡、聚焦透鏡、QPD四個(gè)部分組成并嵌入于探頭中。激光器發(fā)射約為0.5 mW的激光光束，在探針沒有受到觸碰時(shí)，光束經(jīng)過平面反射鏡后，反射光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦，最后投射到QPD的中心處，由QPD的原理可知對應(yīng)輸出的電壓信號(hào)為零。當(dāng)探針受到豎直或水平方向觸碰產(chǎn)生位移δ時(shí)，V型鈹青銅簧片發(fā)生變形，則固定于簧片上的懸浮片會(huì)有位移和偏角，同時(shí)平面反射鏡亦發(fā)生位移或偏角，投射到QPD上的光點(diǎn)則產(chǎn)生偏移，對應(yīng)的輸出電壓信號(hào)即會(huì)發(fā)生變化。

該探頭豎直方向感測原理如圖59所示。當(dāng)探針豎直方向產(chǎn)生位移δv時(shí)，簧片發(fā)生變形，則懸浮片在豎直方向位移為δv，即平面反射鏡發(fā)生豎直位移δv，則激光光束通過平面反射鏡后，反射光經(jīng)聚焦透鏡投射到QPD上，對應(yīng)的輸出電壓信號(hào)反應(yīng)此時(shí)探針發(fā)生的豎直位移。

圖59　豎直方向觸發(fā)情況的分析

水平方向感測原理同豎直方向相似，如圖60所示。當(dāng)測球在水平方向受到觸碰而產(chǎn)生位移δh時(shí)，即探針偏轉(zhuǎn)θ角。因探針和懸浮片被看作一個(gè)剛體，故懸浮片和平面反射鏡同時(shí)偏轉(zhuǎn)θ角，由反射原理可知反射光線偏轉(zhuǎn)了2θ角。即當(dāng)平面反射鏡有角度變化時(shí)，聚焦在QPD上的光點(diǎn)的位置就會(huì)有相應(yīng)的變化，從而能感測水平方向偏移的角度。對應(yīng)輸出的電壓信號(hào)就反應(yīng)了此時(shí)探針發(fā)生的角度偏移。

該探頭允許觸碰范圍超過12 μm；靈敏度大于0.5 V/mm；在恒溫環(huán)境(20℃±0.025℃)下，1.3 h內(nèi)的位移漂移量約為20 nm；觸發(fā)測量重復(fù)性小于4 nm。

圖60　水平方向觸發(fā)情況的分析

4.8　基于雙層彈性機(jī)構(gòu)的掃描探頭

采用單個(gè)四象限光電傳感器的設(shè)計(jì)在成本上占有很大的優(yōu)勢，不足之處是通過輸出信號(hào)無法區(qū)分測球豎直方向上的位移和水平方向上的位移。為了能夠分辨探針在不同自由度上的位置變化，在單傳感器探頭基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)了雙層彈性機(jī)構(gòu)的接觸掃描式探頭[51]。探頭下層簧片及對應(yīng)的角度傳感器負(fù)責(zé)感測測球水平方向的位移，并通過上下兩層彈性機(jī)構(gòu)之間的連桿，將下層簧片沿豎直方向上的位移傳遞到上層簧片上，使得上層懸浮片Z向產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，再利用刀口原理感測測球豎直方向上的位移，利用兩個(gè)互不干擾的四象限光電傳感器對水平方向與豎直方向的觸發(fā)位移分別感測計(jì)數(shù)。

圖61所示為雙層探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。由激光器發(fā)射出的激光光束，經(jīng)偏振分光棱鏡PBS后，P偏振光經(jīng)過三次反射后最終投射到QPD2上，S偏振光則直接投射到QPD1上。

圖61　探頭結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖

該探頭的體積也比較小，具有掃描功能，進(jìn)一步的性能測試還在進(jìn)行中。

5　總結(jié)與討論

介紹了國內(nèi)外三坐標(biāo)測量微納測量探頭的發(fā)展情況，介紹了作者團(tuán)隊(duì)研制的基于不同光學(xué)傳感原理的三坐標(biāo)微納測量探頭。從實(shí)驗(yàn)角度看，已經(jīng)突破了一些技術(shù)瓶頸，但離成熟的商業(yè)化實(shí)際應(yīng)用還有一些關(guān)鍵技術(shù)需要解決。微納探頭作為三坐標(biāo)測量機(jī)的重點(diǎn)與難點(diǎn)一直備受國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，針對目前的研究成果，在今后的微納探頭研制中，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)小測球

市面上商用的測球尺寸較大，一般在數(shù)十微米至數(shù)百微米。為了滿足更小溝槽的測量，制備直徑更小的測球以滿足微小尺寸器件的量測是不可缺少的一個(gè)研究方向。

2)小測力

對于接觸式探頭，測球越小，由測力引起的測球和試樣表面的變形或磨損越大；同時(shí)，測球越小，測桿要求越細(xì)，由測力引起的測桿變形越大。因此，要求接觸式測頭的測力要盡量小。但當(dāng)測力小到與原子間作用力相當(dāng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)測球與試樣間的粘連現(xiàn)象。

3)高速與高效

在保證探頭測量精度的同時(shí)，量程越大，測量效率越高。同時(shí)探頭觸發(fā)速度要盡可能的高，提高使用的效率。探頭在使用過程中，要能夠根據(jù)不同的測試環(huán)境與被測對象及時(shí)更換探針，方便快捷的安裝，要能保證探頭的輸出信號(hào)能夠被各類三坐標(biāo)測量機(jī)識(shí)別。

4)高精度與高穩(wěn)定性

探頭的分辨力要能達(dá)到納米級別，重復(fù)性在10 nm以下。并且在保持高分辨力的情況下，針對不同測量場合，穩(wěn)定性要好。工廠或企業(yè)不可能像實(shí)驗(yàn)室或研究機(jī)構(gòu)那樣有著穩(wěn)定的測量環(huán)境，如何保證探頭的測量穩(wěn)定性，是邁向?qū)嶋H應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵步驟。