纳米测量机三维微触觉测头开发

摘要

针对目前微纳米几何量计量中存在的高深宽比结构难以实现三维高精度测量问题,本文基于电容和压阻原理,利用微机电系统(MEMS)工艺,设计了两种具有3D测量能力并可集成到纳米测量机的微触觉测头——MEMS电容式三维微触觉测头和MEMS压阻式三维微触觉测头。完成的主要工作如下:
　　1.分析了MEMS电容式三维微触觉测头的结构和原理;对课题组前期开发的基于非硅MEMS工艺的电容测头进行结构和工艺上的优化,利用电镀和牺牲层技术制备出微电容传感器原型;对测头进行装配和封装设计,完成了其与校准装置和纳米测量机的机械集成。
　　2.对MEMS压阻式三维微触觉测头进行原理及结构分析,建立了测头位移检测模型;利用Solidworks Simulation模拟测头在轴向和横向负载作用下的位移及应力分布状况;设计了两种压阻检测电桥,并对其工作机理进行研究,建立了测头的输出检测模型。
　　3.设计了压阻测头悬挂系统加工版图;利用MEMS体硅加工工艺完成了悬挂结构及敏感单元的制备,并对制作的压阻样条进行了测试;通过微尺度下的自对准与自定位技术实现了测头的装配及与外围电路的电连接。
　　4.基于C8051F120单片机和ADS1274芯片,设计了压阻测头数据采集系统,并对系统三轴输入通道进行校准。通过对系统精密电源、前端通道、PCB板布局及后续数字滤波算法的优化设计,实现了系统对测头三轴微弱电压输出的高精度实时同步采集。
　　5.对两种测头的测量范围、线性、迟滞及分辨力分别进行了测试,分析比较了两种测头的性能及参数;研究了微观尺度下测头探测的影响机理;最后,对全文进行了总结和展望。

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1 绪 论

1.1 课题研究背景、目的及意义

1.2 三维微触觉测头的国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 MEMS电容式三维微触觉测头设计

2.1 测头结构及原理

2.2 微电容传感器工艺及制备

2.3 测头数据采集系统

2.4 测头装配及封装

2.5 本章小结

3 MEMS压阻式三维微触觉测头设计

3.1 测头结构及原理分析

3.2 悬挂系统加工工艺及流程

3.3 测头数据采集系统设计

3.4 测头装配及封装设计

3.5 本章小结

4 微触觉测头性能测试

4.1 测头校准装置

4.2 MEMS电容式三维微触觉测头性能测试

4.3 MEMS压阻式三维微触觉测头性能测试

4.4 两种测头性能参数对比分析

4.5 微观尺度下测头探测的影响机理研究

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 本论文创新点

5.3 工作展望

参考文献

附录A 压阻测头数据采集电路原理图

附录B 压阻测头数据采集电路PCB版图

附录C 压阻测头数据采集系统实物图

附录D 压阻测头数据采集系统程序

作者简介