微纳米三坐标接触式探头优化设计

摘要

接触式探头作为微纳米三坐标测量机的主要组成部分之一，按照结构可分为触发式和扫描式两类。
　　论文简要介绍了国内外微纳米三维探头的发展现状，在此基础上提出并研制了具有高灵敏度的三维微纳米接触触发式和扫描式测量探头，并从原理和结构两个方面详细介绍这两种探头。两种探头都主要由弹性机构、三自由度光学传感器和调整结构三个部分组成。触发式与扫描式探头的弹性机构分别为单层簧片结构与双层簧片结构，建立了刚度模型，对两个探头的弹性模型进行了优化设计并得出了最佳结构参数，通过Solidworks simulation仿真和实验验证了所设计结构的正确性;光学传感器分别基于自准直原理与原子力显微镜(AFM)原理，分析灵敏度模型，优化结构参数;调节调整机构从而实现探头三个方向位移的感测。两种探头的机械结构与传感器结构简单，成本低廉并且装调方便。
　　基于PI(Physical Instrument)微动平台，搭建了不同的实验系统，对组装好的探头进行弹性机构性能测试以及探头重复性、分辨率、感测范围、稳定度测试。实验结果表明:弹性机构水平方向与竖直方向的刚度近似相等且均约为0.7mN/μm，且双层结构的刚度为单层结构仿真结果的2倍。触发式探头触发点重复性为15nm;X、Y、Z三个方向最小分辨率均小于为3nm。扫描式探头触发点重复性在12nm以内;竖直方向最小分辨率小于4nm。因此探头可被应用于微纳米三坐标测量机上。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究起源与目的

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 电容式

1．2．2 电阻式

1．2．3 电感式

1．2．4 光纤探针式

1．2．5 光学传感式

1．3 主要研究内容

第二章 微纳米三维接触式探头结构及原理

2．1 探头器件原理介绍

2．1．1 QPD原理

2．1．2 弹性机构原理

2．1．3 弹性机构仿真分析对比

2．1．4 单层和双层弹性机构仿真分析对比

2．2 触发探头结构及原理

2．2．1 整体结构及原理

2．2．2 光学传感器原理

2．2．3 灵敏度模型分析

2．3 扫描式探头结构及原理

2．3．1 整体结构及原理

2．3．2 光学传感器原理

2．3．3 灵敏度模型分析

2．4 探头的信号处理电路设计

2．4．1 I／V转换电路设计

2．4．2 信号放大电路设计

2．4．3 信号运算电路设计

2．4．4 数据采集

2．5 本章小结

第三章 微纳米三维接触式探头性能测试

3．1 弹性机构刚度测试

3．2 触发式探头性能测试

3．2．1 实验装置

3．2．2 重复性测试

3．2．3 最小分辨率测试

3．2．4 感测范围

3．2．5 稳定度测试

3．3 扫描式探头性能测试

3．3．1 实验装置

3．3．2 重复性测试

3．3．3 最小分辨率测试

3．3．4 簧片振动测试

3．3．5 感测范围

3．3．6 稳定性测试

3．4 本章小结

第四章 微纳米三维接触式探头校正及改进方案

4．1 探头的校正

4．1．1 探针与悬浮片不垂直

4．1．2 触碰测球的平面与其运动方向不垂直

4．1．3 探头坐标系与PI坐标系不完全一致

4．1．4 PI坐标系与工作坐标系不完全一致

4．2 探头的改进

4．2．1 双层弹性机构改进

4．2．2 光学传感器改进

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 研究总结

5．2 研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况