可实现纳米三坐标测量机微球探头球度高精度测量的方法与流程

本发明涉及微米尺度微球球度测量及其他形状微结构的几何参数测量领域，可应用于纳米三坐标测量机及其他精密测量仪器，具体是一种可实现纳米三坐标测量机微球探头球度高精度测量的方法。

背景技术：

直径为数十微米至数毫米的微球一直广泛地应用于精密轴承、微型机械、mems器件、医疗检测设备和科学研究等领域，随着微纳制造技术的快速发展，对于此类微球的尺寸精度要求也越来越高，例如用于微纳精密探测的纳米三坐标测量机，其微球探头直径在数十至数百微米以内，且球度一般要求在数十纳米甚至更高精度。

目前，对于球径在毫米量级以上的常规尺寸球度误差测量已经非常成熟，发展出了经圆测量法、径向法、激光干涉法等多种测量方法，容易实现球度误差的高精度测量，市面上有较多能达到高精度的标准球，如用于圆度仪标定的talyrond标准校准球，其半径一般为毫米量级，不确定度优于5nm。然而，对于球径在数微米至亚毫米量级的微球球度精确测量，仍没有统一的测量技术和高精度的标准件。iso3290-1规定，测量球体表面三个相互垂直的赤道面的圆度，其中圆度的最大值即为球度。该方法是一种二维测量方法，而球是一个三维物体，通过测量三个面的圆度来计算出球度是不合理和不可靠的，因此，研究一种新的高精度微球球度测量技术是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是解决球径在数十微米至亚毫米量级的微球球度测量问题，提供一种可实现纳米三坐标测量机微球探头球度高精度测量的方法，既可用于微球球度的高精度测量，也为微米尺度上其他形状的高精度测量提供技术。

本发明解决技术问题采用以下技术方案：

一种可实现纳米三坐标测量机微球探头球度高精度测量的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将两个大长径比、顶端尖锐的钨探针分别固定在两个石英音叉谐振传感器上，构建具有纳米级分辨力、大长径比的两个音叉扫描探针测头；

（2）将两音叉扫描探针测头以差动方式放置，并辅助以测量其运动位移的精密微动台构建差动扫描测量系统；

（3）测量前，先调节x轴方向上两音叉扫描探针测头的钨探针的针尖对准，再将y轴方向上的待测微球探头调节至两音叉扫描探针测头的钨探针的针尖处；由于两音叉扫描探针测头在垂直方向测量微球探头时，针尖与微球探头顶部会出现耦合现象，因此将两音叉扫描探针测头相对于x轴方向分别倾斜一定角度θ；

（4）测量时，将待测的微球探头固定在探头夹具上，探头夹具与旋转结构连接，控制微球探头沿y轴方向前后运动，同时控制两音叉扫描探针测头共同运动，在x轴方向对微球探头的大圆截面轮廓进行差动扫描测量；

（5）利用精密微动台测量音叉扫描探针测头运动位移获取微球探头大圆截面轮廓的准确参数，再控制旋转结构使微球探头旋转一定角度，扫描测量微球探头另一大圆截面轮廓，多次重复上述测量，获取多组大圆截面轮廓数据，利用所获得的各组大圆截面轮廓数据构建出微球三维立体空间轮廓，并以此进行微球探头各几何参数的拟合计算，即可得到微球探头的球度数据。

所述的一种可实现纳米三坐标测量机微球探头球度高精度测量的方法，其特征在于：所述差动扫描测量系统在测量时同时控制两音叉扫描探针测头共同运动，差动扫描测量待测的微球探头各大圆截面轮廓，以此消除测量过程中探头运动产生的径向误差。

所述的一种可实现纳米三坐标测量机微球探头球度高精度测量的方法，其特征在于：所述驱动音叉扫描探针测头运动的精密微动台在测量时其测量延长线与其对应的音叉扫描探针测头的轴心共线，以此消除测量时存在的阿贝误差。

本发明的原理是：

本发明利用石英音叉的压电效应及其对微力的高敏感性，结合大长径比钨探针构建具有亚纳米级触发分辨力的扫描探针测头，并利用两个扫描探针测头对nano-cmm微球探头表面轮廓进行差动扫描测量，消除测量过程中微球运动产生的径向误差，再通过多次旋转后重复测量获取多组表面轮廓参数，以此构建微球立体空间轮廓，进行微球探头几何参数的计算，实现微球球度的高精度测量。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明测量对象为直径在数十到数百微米的nano-cmm微球探头，测量时不受测量对象材料和表面特性的限制，且测量对象的尺寸较小，目前少有技术能够实现此范围的测量。

2、本发明使用具有优良压电效应、对微力具有高敏感性的石英音叉，结合大长径比钨探针构建扫描探针测头，它能够实现亚纳米级触发分辨力，且测量力小，保证了对nano-cmm微球探头表面形貌的高精度测量。

3、本发明采用大长径比、顶端尖锐的钨探针，其有效长度可达数百微米，能够实现对nano-cmm微球探头表面测量的高覆盖率，几乎可将整个微球探头有效测量面轮廓完全测量，保证了对微球探头表面形貌的还原。

4、本发明使用两扫描探针测头对nano-cmm微球探头表面轮廓进行差动扫描测量，消除了测量过程中探头运动产生的径向误差，即消除了微球运动轴引入的一项主要误差，提高了nano-cmm微球探头球度误差测量精度。

附图说明

图1音叉扫描探针测头的结构示意图。

图2a扫描探针垂直测量时与nano-cmm微球探头顶部耦合的几何关系图。

图2b扫描探针倾斜方式测量nano-cmm微球探头示意图。

图3两扫描探针测头对准示意图。

图4nano-cmm微球探头扫描测量过程示意图。

图4中标号：1为精密微动台，2为精密微动台，3为钨探针，4为钨探针，5为待测的微球探头，6为探头夹具，7为旋转结构，s为钨探针，a为石英音叉谐振传感器，θ为扫描探针倾角。

具体实施方式

下面将结合附图4，以纳米三坐标测量机上所用直径约为300μm的纳米三坐标测量机（nano-cmm）微球探头5为例，进一步介绍本发明。

一种可实现纳米三坐标测量机微球探头球度高精度测量的方法，包括以下步骤：首先，将大长径比、顶端尖锐的钨探针s固定在石英音叉谐振传感器a上，构建具有纳米级分辨力、大长径比的音叉扫描探针测头。音叉扫描探针测头的结构示意图参阅图1。

将两音叉扫描探针测头以差动方式放置，并辅助以测量其运动位移的精密微动台1、2构建差动扫描测量系统；测量前，先调节x轴方向上两钨探针3、4针尖对准，再将y轴方向上直径约为300μm的待测微球探头5调节至两钨探针3、4针尖处。由于钨探针3、4在垂直方向测量微球时，针尖与微球顶部会出现耦合现象（参阅图2a），因此将两钨探针3、4相对于x轴方向分别倾斜一定角度θ（参阅图2b）；测量时，微球探头5固定于其探头夹具6上，控制微球探头5沿y向前后运动，同时控制两音叉扫描探针测头共同运动，在x轴方向对微球探头5的大圆截面轮廓进行差动扫描测量。两扫描探针测头对准示意图请参阅图3。微球探头5扫描测量过程示意图请参阅图4。

利用精密微动台1、2测量音叉扫描探针测头运动位移获取微球探头的大圆截面轮廓准确参数，再控制旋转结构7使微球探头5旋转一定角度，扫描测量微球探头5另一大圆截面轮廓，多次重复上述测量，获取多组大圆截面轮廓数据，利用所获得的各组大圆截面轮廓数据构建出微球三维立体空间轮廓，并以此进行微球探头5各几何参数的拟合计算，即可得到微球探头5的球度数据。