便携式轮廓仪及轮廓扫描显微镜和系统

摘要

本发明公开了一种便携式轮廓仪及轮廓扫描显微镜和系统，轮廓仪包括三轴压电陶瓷扫描管，其由X、Y和Z方向压电陶瓷驱动器构成；每一压电陶瓷驱动器包括柔性放大机构和压电陶瓷，柔性放大机构具有固定端和运动端，且被设置为使得运动端产生对压电陶瓷的变形进行放大的直线位移；X、Y、Z方向压电陶瓷驱动器及电容差分传感器依次串联连接，且X、Y、Z方向压电陶瓷驱动器分别在使得对应运动端沿X、Y、Z方向产生直线位移的方位上设置；电容差分传感器包括目标件、探针和两个感应件，探针沿Z方向与目标件固连，两个感应件各自与目标件组成一个单极电容。该轮廓仪具有体积小、成本低且分辨率高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及轮廓仪技术领域，更具体地，本发明涉及一种便携式轮廓仪、具有便携式轮廓仪的轮廓扫描显微镜、及利用便携式轮廓仪或者轮廓扫描显微镜实现被测样品的轮廓扫描的轮廓扫描系统。

背景技术

轮廓仪是用来表征物体表面形貌的仪器，依照测量原理可分为两大类，一类是利用光学方法进行测量的轮廓仪，另一类是利用接触方法进行测量的轮廓仪。光学方法包括白光干涉法、相移干涉法、聚焦检测法、图案投影法等，光学方法具有速度快、可靠性较高、横向分辨率较高的优点，但需要搭建较为复杂的光路系统，所占体积较大，不便于携带，且易受环境影响，价格较高。接触方法主要包括原子力显微镜和扫描隧道显微镜，原子力显微镜和扫描隧道显微镜都是利用光杠杆原理来实现位移和力的反馈，具有分辨率高、可靠性好、应用范围广的优点，但同样需要搭建较为复杂的系统作为支撑，体积大，不便于携带，且价格较高。

发明内容

本发明的一个目的是为了提供一种体积较小，以便于携带的轮廓仪。

根据本发明的第一方面，提供了一种便携式轮廓仪，其包括：

三轴压电陶瓷扫描管，包括X方向、Y方向和Z方向压电陶瓷驱动器，且所述X方向、Y方向和Z方向相互正交；每一所述压电陶瓷驱动器包括柔性放大机构、安装在所述柔性放大机构上的压电陶瓷、及经由所述压电陶瓷引出的驱动电压输入端，所述柔性放大机构具有固定端和运动端，所述柔性放大机构被设置为使得所述运动端产生对压电陶瓷的变形进行放大的直线位移；所述X方向压电陶瓷驱动器的固定端与固定底板固定连接，且所述X方向压电陶瓷驱动器在使得对应运动端沿X方向产生直线位移的方位上设置；所述Y方向压电陶瓷驱动器的固定端与所述X方向压电陶瓷驱动器的运动端固定连接，且所述Y方向压电陶瓷驱动器在使得对应运动端沿Y方向产生直线位移的方位上设置；所述Z方向压电陶瓷驱动器的固定端与所述Y方向压电陶瓷驱动器的运动端固定连接，且所述Z方向压电陶瓷驱动器在使得对应运动端沿Z方向产生直线位移的方位上设置；以及，

电容差分传感器，包括差分信号输出端、接地端、目标件、探针和两个感应件，所述目标件与所述接地端连接，所述探针沿所述Z方向与所述目标件固定连接，以向所述目标件传递作用力；所述两个感应件与所述差分信号输出端对应连接，且各自与所述目标件组成一个单极电容；所述电容差分传感器被设置为：两个单极电容的极板间距根据所述作用力产生大小相等、方向相反的变化，以经由所述差分信号输出端输出差分信号；所述两个感应件与所述Z方向压电陶瓷驱动器的运动端固定连接。

可选的是，所述Y方向压电陶瓷驱动器的固定端通过转接板与所述X方向压电陶瓷驱动器的运动端固定连接，且所述转接板被设置为：使得所述Y方向压电陶瓷驱动器的固定端相对所述X方向压电陶瓷驱动器的运动端偏转90度。

可选的是，所述柔性放大机构设置有两个承接板，所述压电陶瓷的一端支撑、并固定连接在一个承接板上，所述压电陶瓷的另一端支撑在另一个承接板上、且与所述另一个承接板的端面在自身的变形方向上相抵。

可选的是，所述柔性放大机构的固定端和运动端的等效长度相等，所述柔性放大机构还包括等效长度相等的四个连接臂和等效长度相等的两个连接端，第一个连接臂通过柔性铰链连接在第一个连接端与运动端之间，第二个连接臂通过柔性铰链连接在第二个连接端与运动端之间，第三个连接臂通过柔性铰链连接在第二个连接端与固定端之间，第四个连接臂通过柔性铰链连接在第一个连接端与固定端之间；所述压电陶瓷安装在所述两个连接端上，以通过压电陶瓷的伸缩改变两个连接端之间的间距的结构使得所述运动端产生垂直于变形方向的直线位移。

可选的是，所述三轴压电陶瓷扫描管安装在物镜镜筒内，所述固定底板与所述物镜镜筒固定连接，所述电容差分传感器的至少探针部分经由所述物镜镜筒向外露出。

可选的是，所述探针在非受力的自由状态下、位于所述物镜镜筒的中心线上。

可选的是，所述电容差分传感器还包括转动连接部，所述目标件连接在所述转动连接部上，所述转动连接部与所述两个感应件限制相对移动地固定连接，以将所述目标件、所述转动连接部和所述两个感应件连接形成一个结构整体；所述结构整体被设置为使得所述目标件在接收到所述作用力时绕所述转动连接部转动至对应的平衡位置，且所述转动使得所述两个单极电容的极板间距产生大小相等、方向相反的变化，以经由所述差分信号输出端输出差分信号。

可选的是，所述转动连接部为弹性扭梁，所述弹性扭梁的两端与所述两个感应件相对固定，且所述目标件与所述弹性扭梁的中间段连接。

可选的是，所述弹性扭梁与所述目标件一体成型。

可选的是，所述弹性扭梁为一根金属线，所述目标件设置有一列穿线孔，所述目标件通过使得所述金属线依次穿过每一穿线孔的结构连接在所述转动连接部上；或者，

所述弹性扭梁为两根金属线，所述目标件设置有沿相同方向排列的两列穿线孔，所述目标件通过使得每根金属线依次穿过对应列的每一穿线孔的结构连接在所述转动连接部上。

可选的是，所述目标件支撑在所述转动连接部上，且所述转动连接部与所述目标件点接触连接。

可选的是，所述感应件包括电容感应体和与所述电容感应体绝缘连接的电容屏蔽体，所述感应件通过所述电容感应体与所述目标件形成对应的单极电容；

所述电容屏蔽体与所述接地端连接，所述转动连接部固定连接在任意感应件的电容屏蔽体上，所述目标件通过固定连接在一起的转动连接部和电容屏蔽体与所述接地端连接。

可选的是，所述两个单极电容在所述目标件处于非受力的平衡位置下的初始极板间距不等，其中，第一单极电容的初始极板间距较大，所述探针的位置被设置为使得目标件在接收到所述作用力时沿第一单极电容的极板间距变小的方向转动。

可选的是，所述电容差分传感器还包括至少一个弹性悬臂，所述两个感应件分设在所述目标件的两侧，每一所述弹性悬臂的第一端与所述目标件连接、第二端相对所述两个感应件固定，以将所述目标件、所述弹性悬臂和所述两个感应件连接形成一个结构整体；所述结构整体被设置为使得所述目标件在接收到所述作用力时移动至对应的平衡位置，且所述移动使得所述两个单极电容的极板间距产生大小相等、方向相反的变化，以经由所述差分信号输出端输出差分信号。

根据本发明第二方面，提供了一种轮廓扫描显微镜，其包括光学显微镜和根据本发明第一方面所述的便携式轮廓仪，所述便携式轮廓仪的三轴压电陶瓷扫描管安装在物镜镜筒内，且所述固定底板与所述物镜镜筒固定连接，所述电容差分传感器的至少探针部分经由所述物镜镜筒向外露出；所述光学显微镜的一个物镜接口安装所述物镜镜筒，所述光学显微镜的另外的物镜接口安装标准物镜。

根据本发明第三方面，提供了一种轮廓扫描系统，其包括信号处理器、显示器、X方向驱动电压发生器、Y方向驱动电压发生器、Z方向驱动电压发生器、及根据本发明第一方面所述的便携式轮廓仪或者根据本发明第二方面所述的轮廓扫描显微镜；

所述X方向驱动电压发生器用于向X方向压电陶瓷驱动器的驱动电压输入端提供驱动电压，以经由探针对被测样品表面进行X方向的扫描；

所述Y方向驱动电压发生器用于向Y方向压电陶瓷驱动器的驱动电压输入端提供驱动电压，以经由探针对被测样品表面进行Y方向的扫描；

所述电容差分传感器的差分信号输出端与所述信号处理器的差分信号输入端对应连接，以将所述电容差分传感器产生的差分信号输出至所述信号处理器，所述电容差分传感器的接地端与所述信号处理器的地线连接；所述信号处理器用于计算所述差分信号的当前值与设定值之间的差值，并将所述差值作为反馈信号输出至所述Z方向驱动电压发生器；

所述Z方向驱动电压发生器用于根据所述反馈信号产生驱动电压提供至Z方向压电陶瓷驱动器的驱动电压输入端，实现所述电容差分传感器的的升降；以及，

所述显示器用于显示所述Z方向驱动电压发生器产生的驱动电压，并利用显示的驱动电压表征被测样品的表面轮廓。

本发明的发明人发现，在现有技术中，无论是基于光学方法的轮廓仪，还是基于接触方法的轮廓仪，均存在因结构复杂而致使体积较大，进而导致不便于携带的问题。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。

本发明的一个有益效果在于，本发明便携式轮廓仪采用压电陶瓷扫描管实现被测样品的轮廓扫描，该压电陶瓷扫描管是通过柔性放大机构对压电陶瓷的变形进行放大，可以实现微型化设计，进而实现轮廓仪的小型化；另外，本发明便携式轮廓仪通过电容差分传感器替代光杠杆反馈系统，进而能够在保证高分辨率的基础上较大程度地降低成本。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为根据本发明便携式轮廓仪的一种实施例的剖视示意图；

图2为图1中三轴压电陶瓷扫描管的主视示意图；

图3a为图2所示的压电陶瓷驱动器的基本结构的结构示意图；

图3b为图3a中压电陶瓷驱动器的等效刚体模型；

图4a为图2中固定底板的一种实施例的仰视示意图；

图4b为图4a中的A-A向的阶梯剖示意图；

图5为X方向压电陶瓷驱动器的一种设置结构的俯视示意图；

图6为图2中转接板的一种实施例的俯视示意图；

图7为Y方向压电陶瓷驱动器的一种设置结构的俯视示意图；

图8a为Z方向压电陶瓷驱动器的一种设置结构的主视示意图；

图8b为图8a所示设置结构的仰视示意图；

图9a为单平行四边形柔性机构的结构示意图；

图9b为双平行四边形柔性机构的结构示意图；

图10为翘板式电容差分传感器的第一种实施例的结构示意图；

图11为翘板式电容差分传感器的第二种实施例的结构示意图；

图12为翘板式电容差分传感器的第三种实施例的结构示意图；

图13为翘板式电容差分传感器的第四种实施例的结构示意图；

图14a为图11至图14中感应件的一种实施例的俯视示意图；

图14b为图15a所示感应件的A-A向剖视示意图；

图15为目标件和转动连接部一体成型的一种实施例的结构示意图；

图16为目标件和转动连接部一体成型的第二种实施例的结构示意图；

图17为目标件和转动连接部单独成型的一种实施例的结构示意图；

图18为目标件和转动连接部单独成型的第二种实施例的结构示意图；

图19为目标件和转动连接部单独成型的第三种实施例的结构示意图；

图20为两个感应件和转动连接部相对固定的一种固定结构的分解示意图；

图21为平移式电容差分传感器的一种实施例的结构示意图；

图22为根据本发明的轮廓扫描系统的一种实施方式的方框原理图。

附图标记说明：

CDS-电容差分传感器；PCS-压电陶瓷驱动器；

PCSX-X方向压电陶瓷驱动器；PCSY-Y方向压电陶瓷驱动器；

PCSZ-Z方向压电陶瓷驱动器；SA-结构整体；

1-目标件；101、102-穿线孔；

2-探针；3、3a、3b-感应件；

302-电容屏蔽体；303-绝缘主体；

3031-绝缘圈； 301a、301b-电容感应体；

4-夹具预留部；5、5a、5b、5c-转动连接部；

501a-弹性扭梁； 502a-扭梁固定件；

5021a-连接通孔；501b、502b-金属线；

6-隔离件；601-连接通孔；

C1-第一单极电容； C2-第二单极电容；

701、701X、701Y、701Z-固定端；702、702X、702Y、702Z-运动端；

703-连接端；704-连接臂；

705-承接板；706-压电陶瓷；

708-减重孔；7011、7022、7023-螺纹孔；

7021、7012、7013-沉孔； 707-柔性铰链；

8-固定底板；801-底板本体；

802-螺纹孔；803-台阶部；

804-沉孔；9-转接板；

901-转接板本体；902、903-螺纹孔；

10-壳体； S-感应件；

M-目标件；A-弹性悬臂；

T-安装套管；P1-隔离件；

U2-信号处理器； U3-显示器；

U1X-X方向驱动电压发生器； U1Y-Y方向驱动电压发生器；

U1Z-Z方向驱动电压发生器； LG-接地端；

LOUT+、LOUT-：差分信号输出端。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明为了解决现有轮廓仪存在的结构复杂、体积较大，进而不便于携带的问题，提供了一种便携式轮廓仪，该种轮廓仪不需要设置复杂的光学结构，是通过机械结构实现高分辨率的轮廓扫描，因此能够通过对机械结构的微型化设计实现体积的压缩，例如压缩至标准物镜大小，甚至更小，进而实现便携化设计。

图1是根据本发明便携式轮廓仪的一种实施例的剖视示意图。图2是图1中三轴压电陶瓷扫描管的主视示意图。

根据图1和图2所示，本发明便携式轮廓仪包括电容差分传感器CDS和三轴压电陶瓷扫描管，该三轴压电陶瓷扫描管包括三个压电陶瓷驱动器PCS，其中，三个压电陶瓷驱动器PCS分别作为X方向压电陶瓷驱动器PCSX、Y方向压电陶瓷驱动器PCSY和Z方向压电陶瓷驱动器PCSZ，且X方向、Y方向和Z方向相互正交。

每一压电陶瓷驱动器PCS包括柔性放大机构、安装在柔性放大机构上的压电陶瓷、及经由压电陶瓷引出的驱动电压输入端，柔性放大机构即为通过柔性铰链实现的机械放大结构。

柔性铰链可以是直梁型、直圆型、椭圆型、双曲线型、抛物线型、V型、摆线型等单轴柔性铰链，特别是各种类型的单轴对称式柔性铰链。

为了提高柔性放大机构的整体结构强度，该柔性放大机构可以通过基材一体成型，即在基材上直接加工形成该柔性铰链，例如，通过对基材进行电火花加工形成该柔性铰链。由于柔性铰链是通过材料的弹性形变来工作的,所以材料的弹性恢复性能及刚度将决定柔性铰链的优劣，基于性能方面的考虑，该基材整体或者至少形成柔性铰链的部分可以采用铂青铜，而基于性价比的考虑，该基材整体例如可以采用45号钢。

该柔性放大机构具有固定端和运动端，柔性放大机构被设置为使得运动端产生对压电陶瓷的变形进行放大的直线位移。

上述三个压电陶瓷驱动器PCS串联连接在一起，以实现对被测样品的表面轮廓的扫描，具体为：X方向压电陶瓷驱动器PCSX的固定端与固定底板8固定连接，而固定底板8则可以固定连接在壳体10的内壁上，且X方向压电陶瓷驱动器PCSX在使得对应运动端沿X方向产生直线位移的方位上设置；Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的固定端与X方向压电陶瓷驱动器PCSX的运动端固定连接，且Y方向压电陶瓷驱动器在使得对应运动端沿Y方向产生直线位移的方位上设置，以实现X方向和Y方向运动的叠加；Z方向压电陶瓷驱动器PCSZ的固定端与Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的运动端固定连接，且Z方向压电陶瓷驱动器在使得对应运动端沿Z方向产生直线位移的方位上设置，以实现X方向、Y方向和Z方向运动的叠加。

由于电容差分传感器通过对极板间距的限制能够实现微米级分辨率，因此，本发明轮廓仪采用电容差分传感器代替光杠杆反馈系统实现高分辨率，低成本设计。

该电容差分传感器CDS包括差分信号输出端、接地端、目标件、探针和两个感应件，目标件与接地端连接，探针沿Z方向与目标件固定连接，以通过探针与被测样品的轮廓表面接触，并将接触产生的作用力传递目标件；两个感应件与差分信号输出端对应连接，且各自与目标件组成一个单极电容；电容差分传感器被设置为：两个单极电容的极板间距根据该作用力产生大小相等、方向相反的变化，以经由差分信号输出端输出差分信号。

该电容差分传感器CDS通过两个感应件与Z方向压电陶瓷驱动器PCSZ的运动端固定连接，这样，在被测样品承载在X、Y平面上时，便可通过X方向和Y方向运动带动探针对被测样品的表面进行扫描，并通过Z方向运动带动电容差分传感器CDS、进而带动探针在垂直于被测样品的方向上移动，进而改变作用力的大小，实现Z方向位移的反馈。

现以恒力模式为例，说明本发明轮廓仪的工作原理：将电容差分传感器CDS的输出信号的一信号值作为预先选定的设定值。将被测样品承载在X、Y平面上，并使探针与被测样品接触，且接触点为选定的X、Y平面上的0坐标点。通过向X方向、Y方向压电陶瓷驱动器的驱动电压输入端输出驱动电压，实现探针在X、Y平面上对被测样品的表面的扫描。由于X方向、Y方向压电陶瓷在X、Y平面上扫描被测样品的表面时，因被测样品的表面粗糙不平，因此将使得探针与被测样品之间的作用力发生改变，进而会引起电容差分传感器CDS的输出信号的信号值发生改变。将电容差分传感器CDS实时测得的信号值与设定值作差，并将差值作为反馈信号经过信号处理驱动Z方向压电陶瓷驱动器PCSZ的压电陶瓷，则将实现电容差分传感器CDS相对被测样品的升降，直至实时测得的信号值与设定值相等为止。这样，便可通过向Z方向压电陶瓷驱动器PCSZ提供的驱动电压来表征被测样品的表面轮廓。

上述三个压电陶瓷驱动器PCS和电容差分传感器CDS可以均设置在壳体10内，以通过壳体10保护各部分结构，但电容差分传感器CDS的至少探针部分应该在工作时通过壳体10向外露出，以实现对被测样品的扫描，为此，该壳体10的对应电容差分传感器CDS的一端为敞口结构，并配置一个与壳体10适配以在非工作期间封闭该敞口的外盖，以避免内部结构受外界环境污染，该壳体10例如与外盖螺纹配合连接。

为了使得本发明便携式轮廓仪能够方便地与光学显微镜结合使用，参照图1所示，上述壳体10可以采用物镜镜筒，这样，将轮廓仪通过其物镜镜筒安装在光学显微镜的一个物镜接口上，便直接形成了轮廓扫描显微镜。形成轮廓扫描显微镜进行轮廓扫描的优势在于，可先通过光学显微镜的标准物镜观察被测样品的表面，进而确定需要通过轮廓仪进一步研究表面轮廓的区域，这样，便可通过连接在物镜接口上的轮廓仪对确定区域的表面轮廓进行更细微的观察。在此，该轮廓扫描显微镜的光学显微镜、便携式轮廓仪和标准物镜的至少部分在非使用状态下可以相互分离。

对于采用物镜镜筒作为壳体10的实施例，该探针在非受力的自由状态下可以位于物镜镜筒的中心线上，以提高结构的平衡、对称性。

图3a为压电陶瓷驱动器PCS的一种基本结构的结构示意图。图3b为图3a所示压电陶瓷驱动器PCS的等效刚体模型。

根据图3a和图3b所示，该压电陶瓷驱动器PCS包括柔性放大机构和压电陶瓷706，该柔性放大机构的固定端701和运动端702的等效长度(即等效刚体模型的对应部分的长度)相等，柔性放大机构还包括等效长度相等的四个连接臂704和等效长度相等的两个连接端703。

第一个连接臂704通过柔性铰链707连接在第一个连接端703与运动端702之间，第二个连接臂704通过柔性铰链707连接在第二个连接端703与运动端702之间，第三个连接臂704通过柔性铰链707连接在第二个连接端703与固定端701之间，第四个连接臂704通过柔性铰链707连接在第一个连接端703与固定端701之间，进而形成如图3b所示的对称结构。根据该柔性放大机构的结构可知，当相对的两个连接端703相向运动时，运动端702在图3b中将相对固定端701向左侧运动，当相对的两个连接端703背向运动时，运动端702在图3b中将相对固定端701向右侧运动。所以，将压电陶瓷706安装在两个连接端703上，便可以通过驱动电压控制压电陶瓷706的伸缩，进而改变两个连接端703之间的间距的结构使得运动端702产生垂直于变形方向的直线位移，实现对变形量的放大。

图3a所示实施例针对压电陶瓷706的安装提供了一种可供选择的安装结构。具体为，该柔性放大机构设置有两个承接板705，压电陶瓷706的一端支撑、并固定连接在一个承接板705上，以实现压电陶瓷相对柔性放大机构的固定，压电陶瓷706的另一端支撑在另一个承接板705上、且与另一个承接板705的端面在自身的变形方向上相抵，以使压电陶瓷706在伸长时，能够推动另一个承接板705运动。在实际使用中，可在非工作状态下也为压电陶瓷驱动器PCS的压电陶瓷施加一定电压，进而使得柔性机构产生预变形。在此，该种安装结构也可以结合其他结构的柔性放大机构使用。

在图3a所示的实施例中，其中一个承接板705与第一个连接端703固定连接，另一个承接板705与第二个连接端703固定连接。

另外，为了提高柔性放大机构的动态性能，可以在柔性放大机构上，例如连接臂704、连接端703、固定端701、运动端702的至少部分上，设置减重孔708。

图9a和图9b示出了另外两种可供选择的柔性放大机构，即单平行四边形柔性机构和双平行四边形柔性机构。图3a和图3b所示的柔性放大机构相对图9a所示的单平行四边形柔性机构具有输出位移解耦的优势，相对图9b所示的双平行四边形柔性机构具有输出量程大的优势。

本发明轮廓仪的各组成部分之间的固定连接可以通过螺钉等紧固件实现，也可以通过焊接、粘接等手段实现。

图4a和图4b为固定底板8的一种实施例的结构示意图，在该实施例中，固定底板8通过螺钉与壳体10和X方向压电陶瓷驱动器PCSX固定连接。

根据图4a和图4b所示，该固定底板8包括底板本体801、及沿Z方向设置在底板本体801上的螺纹孔802，这样，通过在壳体10的壳壁上设置与螺纹孔802对应的通孔或者沉孔，便可使螺钉穿过壳体10上的通孔或者沉孔与对应的螺纹孔802配合，而将固定底板8固定连接在壳体10中。

该底板本体801在与X方向压电陶瓷驱动器PCSX的固定端连接的部位形成台阶部803，以保证X方向压电陶瓷驱动器PCSX的运动端可以在X方向上自由运动。该台阶部803也可通过独立的垫片代替。

该固定底板8还包括在台阶部803处沿Z方向贯穿底板本体801的沉孔804，这样，通过在X方向压电陶瓷驱动器PCSX的固定端上设置对应沉孔804的螺纹孔，便可通过螺钉将X方向压电陶瓷驱动器PCSX的固定端固定连接在固定底板8上。

对于壳体10为物镜镜筒的实施例，该底板本体801可以为与物镜镜筒形状一致的圆形，并在以底板本体801的中心为圆心的圆周上设置例如四个螺纹孔802，再在四个螺纹孔802的外周形成台阶部803及两个沉孔804。

图5示出了X方向压电陶瓷驱动器PCSX的一种可供选择的设置结构，该种设置结构与图4a和图4b的固定底板8的固定结构相适配。

根据图5所示，X方向压电陶瓷驱动器PCSX的固定端701X上设置有与沉孔804一一对应的螺纹孔7011，这样，螺钉穿过沉孔804与对应的螺纹孔7011连接，便可实现二者之间的固定连接。

在图5所示实施例中，该X方向压电陶瓷驱动器PCSX的运动端702X上设置有沉孔7021，以便于进行与Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的固定端之间的连接。

为了压缩轮廓仪在X、Y平面上的尺寸，可以设置一个转接板实现X方向压电陶瓷驱动器PCSX的运动端702与Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的固定端701之间的固定连接。这样，通过对转接板的设计，便可使X方向和Y方向压电陶瓷驱动器在Z方向上基本对齐，进而在X、Y平面上基本占用相同的空间尺寸，例如，该转接板使得Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的固定端701相对X方向压电陶瓷驱动器PCSX的运动端702偏转90度。

图6是转接板9的一种实施例的俯视示意图。

根据图6所示，该转接板9包括转接板本体901，该转接板本体901基本呈四分之一圆弧形，该转接板9在转接板本体901上设置与沉孔7021一一对应配置的螺纹孔902，这样，通过螺钉穿过沉孔7021与对应的螺纹孔902配合，便可实现转接板9与X方向压电陶瓷驱动器PCSX的运动端702X之间的固定连接。该转接板9还在转接板本体901上设置螺纹孔903，以利用螺纹孔903实现转接板9与Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的固定端之间的固定连接。该螺纹孔903相对螺纹孔902偏转90度，以实现Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的固定端相对X方向压电陶瓷驱动器PCSX的运动端的偏转。

图7示出了Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的一种可供选择的设置结构，该种设置结构与图6的转接板9的固定结构相适配。

根据图7所示，Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的固定端701Y上设置有与螺纹孔903一一对应的沉孔7012，这样，螺钉穿过沉孔7012与对应的螺纹孔903配合连接，便可实现二者之间的固定连接。

在图5所示实施例中，该Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的运动端702Y上设置有螺纹孔7022，以便于进行与Z方向压电陶瓷驱动器PCSZ的固定端之间的连接。

图8a和图8b示出了Z方向压电陶瓷驱动器PCSZ的一种可供选择的设置结构，该种设置结构与图7的Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的固定结构相适配。

根据图8a和图8b所示，Z方向压电陶瓷驱动器PCSZ的固定端701Z上设置有与螺纹孔7022一一对应的沉孔7013，这样，螺钉穿过沉孔7013与对应的螺纹孔8022配合连接，便可实现二者之间的固定连接。

在图8a和图8b所示实施例中，该Z方向压电陶瓷驱动器PCSZ的运动端702Z上设置有螺纹孔7023，以便于进行与电容差分传感器CDS之间的连接，即在电容差分传感器CDS的感应件或者相对感应件固定的部件上设置与螺纹孔7023一一对应的沉孔，以通过螺钉穿过该沉孔与对应的螺纹孔7023配合连接实现二者之间的固定。

图10为电容差分传感器的一种实施例的结构示意图。

根据图10所示，该电容差分传感器为翘板式电容差分传感器，其采用双单极电容差分结构进行测量，以提高传感器抗共模干扰的能力。该双单极电容差分结构包括一个目标件1、两个感应件3(分别被标记为3a、3b)和转动连接部5。

目标件1连接在转动连接部5上，以形成单翘板结构或者双翘板结构，其中，单翘板为转动连接部5位于目标件1一端的结构，而双翘板为转动连接部5位于目标件1中间的结构。目标件1通过转动连接部5的连接作用：保持与两个感应件3a、3b之间的间隙以形成单极电容，保持在非受力状态下的平衡位置、及限制相对转动连接部5的运动自由度为绕转动连接部5的转动，进而使得目标件1在被施加作用力时实现翘板式运动。

该传感器还包括探针2，探针2沿Z方向固定连接在目标件1上，以在接触被测样品的表面时向目标件1传递能够产生转矩的作用力，进而使目标件1发生翘板式运动。

在该双单极电容差分结构中，目标件与其中一个感应件3a形成第一单极电容、及与另一个感应件3b形成第二单极电容，且目标件1在被施加作用力绕转动连接部5转动时，第一单极电容的极板间距(即目标件与一个感应件之间的间距)与第二单极电容的极板间距(即目标件与另一个感应件之间的间距)被设置为发生相反的变化，且变化量相同，进而将通过双单极电容差分结构输出表征作用力大小和/或对应作用力的极板位移的差分信号。而该种通过翘板式结构输出差分信号的设计能够大大简化传感器的结构，进而降低传感器的生产制造成本。

为了输出差分信号，上述两个感应件3a、3b应该与传感器的差分信号输出端对应连接，该差分信号输出端可以是引线或者针脚等，而目标件1则应该与传感器的接地端连接，该接地端同样可以是引线或者针脚等，两个差分信号输出端在测量时与信号处理器U2的两个差分信号输入端对应连接，而接地端直接与信号处理器U2的地线连接即可。

在此，可以设置目标件1通过相邻部件与接地端电性连接，而无需为目标件1配置特定导线，这可以大大缩减作为运动件的目标件1的体积和重量进而提高传感器的动态性能。转动连接部5与两个感应件3a、3b限制相对移动地固定连接，以将目标件1、转动连接部5和两个感应件3a、3b连接形成一个结构整体SA。该“限制相对移动”说明转动连接部5至多只能在目标件1接收到作用力时相对两个感应件3a、3b发送扭转，进而带动相连接的目标件1绕其扭转中心转动，而无法相对两个感应件3a、3b平动，以限制因目标件1的平动带来极板间距的变化。该种限制只要在标定的量程范围内实施即可，换言之，根据不同的限制结构，超过量程范围的作用力可能会导致该种限制失效。

该种限制的作用体现在：对于应用在微操作领域的电容式传感器，其单极电容的初始极板间距非常小，通常为微米级，以实现较高的分辨率，这就已经限制了传感器的量程(即能够准确测量的最大作用力)，例如，为了获得0.2nN至1μN的力分辨率，对应的初始极板间距为6μm至500μm，对应的量程将被限制为30μN至200mN。如果转动连接部5相对两个感应件3a、3b的移动自由度(包括在目标件1被施加作用力时)未被限制，则该种运动一方面会进一步造成量程的损失，进而导致传感器具有更小的量程，甚至无法正常使用，另一方面会导致作用力的一部分被转换为目标件的平动，而不是全部被转换为目标件的转动，进而影响产生的差分信号的强度。

上述说明的分辨率与量程相互制约的问题，将限制高分辨率传感器在大量程轮廓扫描场合中的应用。因此，为了从根本上解决该种相互制约的问题，本发明又进一步改进了上述双单极差分电容结构，具体为：设置第一单极电容C1的初始极板间距大于第二单极电容C2的初始极板间距，并由第二电极电容C2的初始极板间距决定传感器的灵敏度/分辨率，及由第一电极电容C1的初始极板间距决定传感器的量程。这体现在，目标件1在被施加特定方向的作用力时，其将绕转动连接部5沿使得第一单极电容C1的极板间距减小、且第二单极电容C2的极板间距增大的方向转动，因此，可以将第二单极电容C2的初始极板间距设置的足够小，以获得非常高的初始灵敏度，而由于第一单极电容C1的初始极板间距相对较大，使得传感器在获得高灵敏度的同时还能具有相对较大的量程。具体而言，以第一单极电容C1的初始极板间距是第二单极电容C2的初始极板间距的三倍为例，相对极板间距相同的双单极差分电容结构，在同等灵敏度下，本发明传感器的量程将大两倍，而在同等量程下，本发明传感器的灵敏度将高八倍，优势非常明显。

图11为两个单极电容的初始极板间距不等的一种实施例的结构示意图。

根据图11所示，该传感器包括目标件1、探针2和两个感应件3，两个感应件3分别被标记为感应件3a、3b。目标件1连接、并支撑在转动连接部5上，形成双翘板结构。感应件3a、3b分设在转动连接部5的两侧，且位于目标件1的同一侧，感应件3a与目标件1形成第一单极电容C1，感应件3b与目标件1形成第二单极电容C2，且第一单极电容C1的初始极板间距大于第二单极电容C2的初始极板间距。转动连接部5与两个感应件3相对固定，进而将转动连接部5、两个感应件3和目标件1连接形成一个结构整体SA。

探针2被设置为接收作用力，并将作用力传递至目标件1上，以产生能够使目标件1绕转动连接部5转动的转矩。因此，探针2应该固定连接在目标件1上，在此，探针2可与目标件1一体成型，也可单独成型并通过粘接、超声波焊接等手段固定连接在目标件1上。

为了实现目标件1绕转动连接部5沿使得第一单极电容C1的极板间距减小、且第二单极电容C2的极板间距增大的方向转动，该探针2在图11所示的实施例中设置在目标件1的对应感应件3a的一侧上，以使探针2在接收到排斥力时，驱动目标件1沿使得第一单极电容C1的极板间距减小的方向转动，对应图11中的逆时针方向。

图12为两个单极电容的初始极板间距不等的第二种实施例的结构示意图。

根据图12所示，目标件1连接、并支撑在转动连接部5上，形成单翘板结构。感应件3a、3b分设在目标件1的两侧，感应件3a与目标件1形成第一单极电容C1，感应件3b与目标件1形成第二单极电容C2。转动连接部5与两个感应件3相对固定，进而将转动连接部5、两个感应件3和目标件1连接形成一个结构整体SA。

为了实现目标件1绕转动连接部5沿使得第一单极电容C1的极板间距减小、且第二单极电容C2的极板间距增大的方向转动，该探针2在图12所示的实施例中设置在目标件1的面向感应件3b的表面上，以使探针2在接收到排斥力时，驱动目标件1沿使得第一单极电容C1的极板间距减小的方向转动，对应图12中的逆时针方向。

本发明电容差分传感器CDS可以还包括另外两个感应件3，另外两个感应件3也与转动连接部5相对固定，以将转动连接部5、目标件3和另外两个感应件3连接形成另一个结构整体，即目标件1与另外两个感应件3也形成如上所述的双单极电容差分结构。为此，目标件1与转动连接部5应该采用如图10和图11所示的双翘板结构，以使目标件1与位于自身一侧的两个感应件形成一个双单极电容差分结构、及与位于自身另一侧的两个感应件形成另一个双单极电容差分结构，或者使目标件1与位于转动连接部5一侧的两个感应件形成一个双单极电容差分结构、及与位于转动连接部5另一侧的两个感应件形成另一个双单极电容差分结构。这样，本发明传感器CDS在探针2被施加作用力时，将产生两对差分信号，并将两对差分信号叠加输出至信号处理器，以进一步提高本发明传感器的可靠性及抗共模干扰的能力。

图13是形成两个结构整体、且两个单极电容的初始极板间距不等的实施例的结构示意图。

根据图13所示，该电容差分传感器在图10和图11所示实施例的基础上，还包括另外两个感应件，此另外两个感应件仍被标记为3a、3b，即在该实施例中，传感器具有两个感应件3a和两个感应件3b，其中，一个感应件3a和一个感应件3b在目标件2的一侧分设在转动连接部5的两侧，另一个感应件3a和另一个感应件3b在目标件2的另一侧也分设在转动连接部5的两侧，且两个感应件3a位于转动连接部5的不同侧，两个感应件3b也位于转动连接部5的不同侧。

在此基础上，每一感应件3a各自与目标件2形成一个第一单极电容C1，每一感应件3b各自与目标件2形成一个第二单极电容C2，而每个第一单极电容C1可以与任一个第二单极电容C2形成双单极电容差分结构，进而输出差分信号。为了实现差分信号叠加，此另外两个感应件3a、3b也应该与差分信号输出端对应连接，即对应第一单极电容C1的两个感应件3a与差分信号输出端中的正输出端连接，而对应第二单极电容C2的两个感应件3b与差分信号输出端中的负输出端连接。

为了实现目标件1绕转动连接部5沿使得第一单极电容C1的极板间距减小、且第二单极电容C2的极板间距增大的方向转动，该探针2在图13所示的实施例中设置在目标件1的面向感应件3b的表面上，以使探针2在接收到排斥力时，驱动目标件1沿使得第一单极电容C1的极板间距减小的方向转动，对应图13中的逆时针方向。

另外，对于类似图13所示实施例的具有四个感应件3的传感器，可以通过两个感应件与目标件2形成上述第一单极电容和第二单极电容，而通过另外两个感应件各自与目标件2形成一个静电驱动器，即将另外两个感应件作为静电驱动电极使用，这需要将另外两个感应件与传感器的偏置电压输入端连接。这样，在作用力消失时(对应被测物被移除时)，通过向另外两个感应件施加相对目标件2的偏置电压将使两个静电驱动器产生静电力，而由于两个静电驱动器产生的静电力对于目标件2而言会产生方向相反、大小相同的转矩，因此能够使得目标件2在静电力的作用下快速复位至非受力的平衡位置。这说明，该种结构能够有效提高目标件1的响应速度，使其响应特性不依赖于部件本身的机械特性。

参照上述图11至图13所示的实施例，通过设置第一单极电容C1与第二单极电容C2具有相等的初始极板间距，即可直接得到本发明电容差分传感器CDS的其他实施例，且对于初始极板间距相等的各实施例，将无需根据作用力方向限制探针2的安装位置。

为了提高传感器的抗干扰能力，上述感应件3可以包括电容屏蔽体和作为极板使用的电容感应体，以通过电容感应体与目标件2形成上述单极电容，并将电容屏蔽体与接地端连接，进而起到屏蔽效果。在此基础上，可将转动连接部5固定连接在任意感应件3的电容屏蔽体上，这样，目标件1便能够方便地通过相互连接的转动连接部5和电容屏蔽体与接地端连接。

该电容屏蔽体与电容感应体可以一体成型，也可以单独成型再进行结合，而且位于目标件2同一侧的两个感应件3a、3b可以共用电容屏蔽体。

以感应件3的电容屏蔽体和电容感应体一体成型为例，该感应件3的主体材料可以是导体，也可以是绝缘体，如果主体材料是导体，例如铜或者铝，则电容屏蔽体与电容感应体表面都需要进行绝缘化处理，以防止电容感应体和电容屏蔽体直接接触。该表面绝缘化处理的方法例如为在导体表面粘附塑料膜、绝缘橡胶、树脂，磁控溅射，热蒸镀，或者原子沉积氧化层等。如果主体材料是绝缘体，如陶瓷、玻璃以及印刷电路板等材料，主体局部表面需要进行导体化处理，形成相应的电容屏蔽体和电容感应体。表面导体化处理的方法例如为金属真空蒸发镀膜，表面金属层粘贴，或者塑性电子导体印刷等。

图14a和图14b是两个感应件3a、3b共用屏蔽体，且主体材料为绝缘体的一种实施例的结构示意图。

根据图14a和图14b所示，感应件3a的电容感应体301a和感应件3b的电容感应体301b设置在绝缘主体303上，且感应件3a、3b共用电容屏蔽体302，电容屏蔽体302与电容感应体301a、301b通过绝缘主体303分开。

两个电容感应体301a、301b，以及电容屏蔽体302可以在绝缘主体303上通过金属蒸发镀膜或者印刷电路制作方法形成。以印制电路制作方法为例，该形成方法可包括如下步骤：

步骤S1：在绝缘主体的整个表面上设置一层金属导体层。

步骤S2：在对应两个电容感应体301a、301b的形成位置的外周，通过印刷电路板的制作方法剔除掉金属材料从而裸露出绝缘主体，形成环绕在电容感应体301a、301b外围的绝缘圈3031，而除电容感应体301a、301b之外的剩余金属导体层将成为电容屏蔽体302。

该种方法与机械加工方法相比，制作简单，容易大批量生产，成本低，而且可以制作出较为复杂的传感表面形状。

在图14a和图14b所示的实施例中，两个电容感应体301a、301b基本为长方形，该两个电容感应体301a、301b也可以成形为正方形、圆形、椭圆形等。

上述目标件1和转动连接部5可以采用一体成型结构，也可以采用单独成型再组装在一起的结构。上述探针2与目标件1同样是可以采用一体成型结构，也可以采用单独成型再通过粘接、焊接等手段固定连接在一起的结构，其中，在对探针2的尖端半径要求较高的精密测量领域，优选是采用单独成型的结构，这样，便可通过电化学腐蚀等方法单独加工满足精度要求的探针。

图15是目标件1、转动连接部5和探针2一体成型的一种实施例的结构示意图。

在图15所示的实施例中，转动连接部5被标记为5a，其为弹性扭梁形式，该弹性扭梁5a的两端具有扭梁固定件502a，该弹性扭梁5a通过扭梁固定件502a与两个感应件3相对固定，而目标件1则连接在弹性扭梁5a的中间段501a(即位于两个扭梁固定件502a之间的部分)上形成双翘板结构，以使目标件1在受力时利用弹性扭梁5a的扭转作用实现目标件1的转动。

上述的使得弹性扭梁5a两端固定的结构相对单端固定的悬臂结构更容易实现限制相对移动的限制，因为对于相同材质的扭梁，在作用力相同的情况下，悬臂结构的变形量将是两端固定结构的变形量的64倍，因此，采用两端固定的结构更易于通过对弹性扭梁材质的选择在量程范围内实现该种限制。

根据图15所示，目标件1、转动连接部(或者称弹性扭梁)5a和探针2是一体成型的金属薄片，其可由线切割加工而成。探针2经线切割加工完成后，可通过专用夹具使之与目标件1相互垂直(垂直于纸面向外)，从而通过与被测物接触向目标件传递能够产生转矩的作用力。对于图11、图11和图13所示实施例中的阶梯形目标件，而在线切割后通过冲压实现。

在此，可在满足弹性扭梁5a对目标件1的连接作用的前提下，尽量减小目标件1与弹性扭梁5a之间的连接长度，以提高目标件1的动态性能。另外，也可以通过减小目标件1的尺寸，进而减轻目标件1的重量的方式提高目标件1的动态性能。

图16是目标件1、转动连接部5和探针一体成型的第二种实施例的结构示意图。

根据图16所示，该实施例与图15所示实施例的一个主要区别在于，该实施例是对应单翘板结构的目标件，即目标件1位于弹性扭梁5a的一侧。

该实施例与图15所示实施例的另一个主要区别在于，本发明传感器还包括与目标件1一体成型的夹具预留部4，该夹具预留部4经由目标件1的边缘向外平行延伸，而探针2则成型于夹具预留部4的边缘处，且被弯折为垂直于夹具预留部4。

设置夹具预留部4的作用为：由于线切割加工而成的金属薄片通常会有翘曲，这会限制在目标件1与感应件3之间能够形成的最小间隙，从而影响传感器的灵敏度；而在目标件1周边设置夹具预留部4，则可使刀片作用于基材的对应夹具预留部4的部分上，进而可以在线切割加工时通过专用夹具固定基材的对应目标件1的部分，从而使得目标件1平整，以便于在目标件1与感应件3之间形成更小间隙，提高传感器的灵敏度。

设置夹具预留部4的结构同样适用于例如是图15所示的双翘板结构的传感器。

图17是目标件1与转动连接部5单独成型的一种实施例的结构示意图。

在该实施例中，转动连接部5被标记为5b，同样为弹性扭梁形式，根据图17所示，该弹性扭梁5b为一根金属线，该目标件1设置有一列穿线孔101，即所有穿线孔101在一条直线上排列，这样，上述结构整体SA便可通过使得金属线顺次穿过每一穿线孔101的结构将目标件1连接在弹性扭梁5b的中间位置上，以使目标件1在受力作用时通过金属线的扭转作用实现目标件1的转动。

该金属线可在绷直的状态下在两端通过垫片压紧，并通过螺钉螺母相对感应件3固定，例如固定在感应件3的绝缘主体上。

在此，由于金属线能够比图15和图16所示实施例中的弹性扭梁5a更细，且金属线的横截面为圆形，因此，金属线具有更小的扭转刚度，能够进一步提高灵敏度。

图18是目标件1与转动连接部5单独成型的另一种实施例的结构示意图。

根据18所示，该实施例与图17所示实施例的主要区别在于，其弹性扭梁5b为两根金属线，对应地，目标件1设置有沿相同方向排列的两列穿线孔101、102，这样，上述结构整体SA是通过使得一根金属线顺次穿过每一穿线孔101、及使得另一根金属线顺次穿过每一穿线孔102的结构，将目标件1连接在弹性扭梁5b上。

图19是目标件1与转动连接部5单独成型的第三种实施例的结构示意图。

在该实施例中，该转动连接部5被标记为5c，根据图19所示，该转动连接部5c支撑在感应件3与目标件1之间，且与目标件1点接触连接，该连接例如是粘接、超声波焊接等，以使目标件1在受力时绕转动连接部5c翻转实现目标件1的转动，该种结构相对上述的通过弹性扭梁5a、5b的扭转作用实现目标件1的转动的结构能够获得更高的灵敏度。

在图19所示的实施例中，该转动连接部5c被设计为圆锥形或者棱锥形，以实现与目标件1之间的点接触连接。

图20是对应图15和图16所示实施例的、实现转动连接部5a与感应件3相对固定的一种实施例的分解结构示意图。

根据图20所示，在转动连接部/弹性扭梁5a的扭梁固定件502a与感应件3之间设置隔离件6，以保证感应件3与目标件1之间的间距设置。

该扭梁固定件502a设置有连接通孔5021a，隔离件6设置有与连接通孔5021a对齐的连接通孔601，感应件3例如在电容屏蔽体302的位置设置有与连接通孔5021a对齐的连通通孔(图中未示出)，这样，在进行转动连接部5a与感应件3之间的相互固定时，可通过螺栓依次穿过连接通孔5021a、连接通孔601和感应件3上的连接通孔与螺母配合锁紧的连接结构，实现转动连接部5a与感应件3之间的相互固定。

对于目标件1两侧均设置有感应件3的结构，可通过螺栓依次穿过一感应件3上的连接通孔、一隔离件6上的连接通孔601、连接通孔5021a、另一隔离件6上的连接通孔601、及另一感应件3上的连接通孔与螺母配合锁紧的连接结构，实现转动连接部5a与所有感应件3之间的相互固定。

以上说明了通过宏观加工形成结构整体SA的实施例，在此，该结构整体SA也可以通过微加工形成，具体步骤例如包括：

步骤S201：单晶硅经第一次光刻和KOH刻蚀，在硅表面形成几微米浅槽，并定义键合区域。

步骤S202，单晶硅经第二次光刻和KOH刻蚀，在硅表面形成另一个浅槽，进而形成阶梯型结构的目标件。

步骤S203，硅正面扩散掺杂磷或硼，形成接触区。

步骤S204，在玻璃上光刻、溅射Ti/Pt/Au金属，形成作为感应件的电极。

步骤S205，在键合区域，使硅和玻璃在360℃-380℃，1000V下进行阳极键合。

步骤S206，利用KOH溶液化学减薄硅片至几十微米厚，以保证该结构的扭转刚度足够小。

步骤S207，利用感应耦合等离子体刻蚀，释放结构裂片，获得结构整体SA。

通过微加工形成的传感器能够实现更小的极板间距，进而能够形成灵敏度极高的传感器。

图21是本发明电容差分传感器的另一种实施例的结构示意图。

根据图21所示，该电容差分传感器为一种平移式电容差分传感器，其包括一个目标件M、两个感应件S和至少一个弹性悬臂A，探针与目标件M固定连接，例如可在目标件M上设置安装套管T，其中，安装套管T具有螺纹孔，并在探针底部形成螺杆，这样，通过探针与安装套管T之间的螺纹配合连接便可将二者可靠地固定连接在一起。

两个感应件S分设在目标件M的两侧、且各自与目标件M组成一个单极电容，每一弹性悬臂A的第一端与目标件M连接、第二端相对两个感应件S固定，以将两个感应件S、目标件M和所有弹性悬臂A连接成为一个结构整体。该感应件S同样可以包括电容屏蔽体和作为极板使用的电容感应体，电容感应体例如可以通过薄壁空心连接件与电容屏蔽体固定连接，而且还可以在电容屏蔽体上设置用于容置电容感应体的容置槽，进而通过减小电容感应体与电容屏蔽体之间的接触面积降低不变电容，提高信号采样率和测量灵敏度。在进行弹性悬臂A的第二端相对两个感应件S的固定连接时，以将弹性悬臂A的第二端固定连接在电容屏蔽体上为例说明一种可供选择的连接结构，具体为：在弹性悬臂A的第二端与两个感应件S的电容屏蔽体之间各设置一个隔离件P1，以保证电容感应体与目标件M之间的间距设置，而且这可以通过螺栓依次穿过一个感应件S的电容屏蔽体、一个隔离件P1、弹性悬臂A的第二端、另一个隔离件P1、及另一个感应件S的电容屏蔽体与螺母配合锁紧的连接结构，实现弹性悬臂A的第二端相对两个感应件S的固定。基于上述结构设置，该传感器在目标件M相对两个感应件S运动时将产生差分信号，具体为：在目标件M运动时，目标件M与两个感应件S间的距离将一个增大、一个减小，且增大与减小的量相当，进而产生能够反映目标件M的位移量及施加在目标件M上的作用力的差分信号。

图22是根据本发明轮廓扫描系统的一种实施结构的方框原理图。

根据图22所示，该轮廓扫描系统包括信号处理器U2、显示器U3、X方向驱动电压发生器U1X、Y方向驱动电压发生器U1Y、Z方向驱动电压发生器U1Z、及根据本发明的便携式轮廓仪或者轮廓扫描显微镜。

该X方向驱动电压发生器U1X用于向X方向压电陶瓷驱动器PCSX的驱动电压输入端提供驱动电压，以经由探针对被测样品表面进行X方向的扫描。

该Y方向驱动电压发生器U1Y用于向Y方向压电陶瓷驱动器PCSY的驱动电压输入端提供驱动电压，以经由探针对被测样品表面进行Y方向的扫描。

电容差分传感器CDS的差分信号输出端与信号处理器U2的差分信号输入端对应连接，以将电容差分传感器CDS产生的差分信号输出至信号处理器U2，电容差分传感器CDS的接地端与信号处理器U2的地线连接；信号处理器U2用于计算差分信号的当前值与设定值之间的差值，并将差值作为反馈信号输出至Z方向驱动电压发生器U1Z。

Z方向驱动电压发生器U1Z用于根据反馈信号产生驱动电压提供至Z方向压电陶瓷驱动器U1Z的驱动电压输入端，实现电容差分传感器CDS在Z方向上的升降。

显示器U3用于显示Z方向驱动电压发生器U1Z产生的驱动电压，并利用显示的驱动电压表征被测样品的表面轮廓。

对于具有两个静电驱动器的翘板式电容差分传感器，传感器的偏置电压输入端可与信号处理器U2的偏置电压输出端连接，以经由信号处理器U2为传感器U1提供快速复位的偏置电压，或者也可以单独设置一个偏置电压发生器提供该偏置电压，并由信号处理器U2控制偏置电压发生器的输出。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，而且各个实施例可以根据需要单独使用或者相互结合使用。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。