基于谐振模式的三维纳米测头触发方法研究

摘要

纳米测量技术是纳米科学技术的基础学科之一，超精加工和超微加工进入纳米技术的新时代，MEMS、超精密光学器件等的特征尺寸微型化，对这些微纳米结构的真三维测量要求达到纳米、亚纳米量级，测量力达到微牛甚至纳牛量级。目前在数百微米至数毫米尺度间的真三维测量取得了一定进展，但还没有成熟的技术。而纳米触发定位是实现纳米测量的关键，三维纳米触发定位技术作为微纳米三维技术的核心，是实现微器件等真三维纳米测量的基础，也是目前国内外微纳米三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)研究中的难点之一。
　　针对微纳米CMM的研究需求和技术瓶颈，本文在对国内外微纳米CMM研究现状和进展分析总结的基础上，提出三维纳米维谐振触发方法，基于该方法研制了三维纳米谐振触发测头及三维纳米谐振触发测量与定位系统，可实现对微内孔试样的高分辨力三维触发测量。完成的主要研究工作和成果总结如下:
　　1)三维纳米谐振触发测头触发方法及工作机理研究。基于界面力学理论分析了三维谐振触发测头的动态接触机理，分别构建了X(Y)、Z向测球，试样表面纳米接触相互作用的力学模型，根据建立的力学模型运动方程分析了范德华力、毛细力等介观尺度界面作用力及合力对测头运动的影响并进行数学仿真。
　　2)三维纳米谐振触发测头构建。基于光纤拉锥技术和田口法二级烧制制备光纤微球，得到二维直径小于80μm，二维圆度小于0.70μm，二维偏心距小于0.65μm、真球度约为0.50μm的一体式光纤微探球。分别以石英音叉、PVDF、双端音叉作为微力传感器，与一体式光纤微探球相结合，利用其谐振参数（谐振振幅、谐振频率/谐振相位）对微力的高敏感性构建了三维谐振触发测头。该种三维谐振触发测头的显著特点是其在Z向工作于轻敲模式，而在X、Y向工作于摩擦模式。分别对石英音叉、PVDF系统噪声水平、灵敏度、触发分辨力、重复性等特性测试分析，得到两系统在X、Y、Z三个方向的触发分辨力均达到亚纳米量级、单向重复性误差均在十纳米量级，其中石英音叉系统的各向测量力均在十至百微牛量级，而PVDF系统的各向测量力达到亚微牛量级。
　　3)三维纳米谐振触发测量与定位系统研制。分别将基于石英音叉、PVDF的三维谐振触发测头与三维纳米定位台、反馈控制模块、信号处理电路结合，构成三维谐振触发测量与定位系统。针对石英音叉三维触发测量与定位系统设计了整体机械结构、基于锁相环路(PLL)的相位反馈控制电路，编写了基于VC++的控制及测试程序。
　　4)三维纳米谐振触发测量与定位系统特性测试。通过对石英音叉系统圆周接近曲线等特性测试，得到系统的各向分辨力均在纳米/亚纳米量级、单向重复性误差、单点触发重复性误差均在十纳米量级。设计了测头测球等效直径的标定方案，并编写了基于VC++的定向标定程序。通过对标准量块组研合成的标准内尺寸进行0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八个方向上的定向标定测试，对微内孔试样测量结果进行修正补偿。最终利用石英音叉系统实现了对微内孔试样的三维触发测量。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 纳米测量技术简介

1．3 微纳米三坐标测量机测头的研究进展

1．3．1 微纳米兰坐标测量机测头要求和分类

1．3．2 接触式测头研究进展

1．3．3 非接触式测头研究进展

1．3．4 其他新型潜头研究进展

1．3．5 总结

1．4 课题来源及本文主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 本文主要研究内容

第二章 三维谐振触发测头工作机理

2．1 介观尺度测球-试样间主要界面力

2．1．1 范德华力

2．1．2 毛细力

2．2 三维谐振触发测头力学模型构建

2．2．1 X(Y)向力学模型

2．2．2 Z向力学模型

2．3 界面作用力对测头运动的影响分析及MATLAB仿真

2．4 本章小结

第三章 三维谐振触发测头及其特性测试

3．1 一体式光纤微探球的制备

3．1．1 实验原理及装置

3．1．2 光纤拉锥

3．1．3 基于田口法的二级烧制

3．2 基于石英音叉的三维谐振触发测头

3．2．1 石英音叉等效电路

3．2．2 测头结构及工作原理

3．2．3 测头特性测试

3．3 基于PVDF的三维谐振触发测头

3．3．1 测头结构及工作原理

3．3．2 PVDF薄膜尺寸参数对测头特性的影响

3．3．3 测头特性澍试

3．4 基于双端音叉的三维谐振触发测头

3．4．1 双端音叉简介

3．4．2 双端音叉三维谐振触发探头系统

3．5 本章小结

第四章 三维谐振触发测量实验系统构建

4．1 基于石英音叉的三维谐振触发测量与定位系统

4．1．1 系统实现原理

4．1．2 系统机械结构设计

4．1．3 硬件电路设计

4．1．4 三维纳米定位系统及控制方式

4．2 基于PVDF的三维谐振触发测量与定位系统

4．2．1 系统实现原理

4．2．2 硬件电路

4．3 系统控制软件设计

4．3．1 采集卡测试程序设计及调试

4．3．2 微动台测试程序设计及调试

4．3．3 自动逼近程序设计

4．3．4 双向接近曲线测试程序设计

4．3．5 圆周接近曲线测试程序设计

4．3．6 触发测量程序设计

4．4 本章小结

第五章 三维谐振触发测量与定位系统特性测试

5．1 系统特性测试

5．1．1 双向接近曲线测试及程序改进

5．1．2 圆周接近曲线测试及程序改进

5．2 三维谐振触发测头等效直径定向标定

5．2．1 标定原理及方案设计

5．2．2 标定测试程序设计

5．2．3 等效直径标定涓试

5．3 石英音叉系统三维触发测量

5．3．1 振幅反馈模式触发测量

5．3．2 相位反馈模式触发测量

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．1．1 研究成果总结

6．1．2 本文主要创新点

6．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况