专利名称：三维微纳米接触扫描探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及微纳米测量领域，更具体地说特别是涉及一种应用在纳米三坐标测量机中的高精度大量程三维微纳米接触扫描探头。
背景技术：
随着微纳加工技术的发展，尺寸介于毫米和微米之间的微型器件相继问世，如微透镜、微齿轮、微芯片、燃油喷油嘴等；微器件的形状日趋复杂，允许的尺寸公差越来越小， 因此在实践中迫切需要具有纳米级测量精度的三坐标测量机。纳米三坐标测量机主要由具有纳米定位测量功能的三维运动平台和具有感测功能的探头两部分组成。探头分接触式和非接触式两种，接触式探头可以用来测量非接触式探头所不能测量的具有斜面、台阶、深孔、圆弧等特征的工件。接触式探头又分为接触触发式探头和接触扫描式探头两种。其中，接触触发式探头是指探头本身只起触发作用，即当测球接触到被测工件时，探头系统马上输出反馈信号给机台运动控制系统使机台停下来，工件的具体尺寸是靠机台的三轴测量系统来给出的，探头本身并不具有测量功能，这种形式的探头不能单独使用，必须与机台一起工作。接触扫描式探头除了具备接触触发式探头的功能外，还具有测量功能，可以直接对工件进行感测并给出测量结果。目前已经公布的接触式探头主要以接触触发式为主，比如美国国家标准与技术研究院、英国国家物理实验室、东京大学、台湾大学、天津大学、合肥工业大学等机构公布的探头。接触扫描式探头主要包括德国联邦物理研究院(PTB)、荷兰Eindhoven工业大学、瑞士联邦计量鉴定局(METAQ公布的探头(参数见表1)。PTB的测头由硅膜和测杆组成。当测杆的端部受到外力作用的时候，导致硅膜变形，通过硅膜上的压阻变化检测出测头端部的位移和力的大小，该探头采用M个压阻检测的方式，提高了检测灵敏度，降低了测头对温度的影响，但其采用薄膜结构使应力分布不均勻，硅膜结构比较容易断裂。荷兰Eindhoven大学开发的基于应变计的三维微接触式传感测头，应变计与电路和弹性元件一起通过沉淀、 制版、刻蚀等工艺后被制作成一个整体，测头各个方向的力和位移的变化通过装在敏感粱上的应变计进行检测，体积较小，但应变片的检测灵敏度和精度都比较低，且其测头采用三角形拓扑结构，解耦复杂。瑞士联邦计量检定局(METAS)开发了一种电磁式微接触式测头， 测头具有三个方向的自由度，每个方向的检测都采用电感来实现，三个方向的测力相同，结构主要由铝制成，电磁式测头的测量范围较高，横向捡测灵敏度较高且接触力较小，但其结构非常复杂、装调困难，且采用三角形悬挂结构，解耦非常麻烦。表1接触扫描探头的主要技术参数
权利要求
1.三维微纳米接触扫描探头，其特征是设置测量单元为前段圆筒(Ia)和后段圆筒(Ib)相连接构成筒体；在所述前段圆筒 (Ia)内，防回射微型迈克尔逊干涉仪( 固定设置在安装盒(3a)中；在所述后段圆筒(Ib) 中，基于DVD光学读取头的二维角度传感器固定安装在安装板(5a)上；在所述后段圆筒(Ib)的尾部设置一带有外螺纹的圆筒盖(7)，以圆筒盖(7)上的外螺纹与纳米三坐标测量机的机架固定连接；设置探测头(6)为在所述前段圆筒(Ia)的前端面上设置一固定圆环(8)，在固定圆环(8)的中央设置十字悬浮片(9)，所述十字悬浮片(9)中各悬臂是在臂端连接有悬臂簧片 (10)，所述各悬臂簧片(10)的另一端与固定圆环(8)相连接，形成十字悬浮片(9)在固定圆环(8)中的悬浮结构；在所述十字悬浮片(9)朝向筒体内的一侧平面上，处在十字悬浮片 (9)的中央位置处设置一中央平面反光镜(13a)，处在所述十字悬浮片(9)的至少一个悬臂的臂端部位设置有悬臂平面反光镜(13b)；所述迈克尔逊干涉仪O)的出射光投射在所述中央平面反光镜(13a)上，所述二维角度传感器(4)的出射光投射在所述悬臂平面反射镜 (13b)上；在所述十字悬浮片(9)朝向筒体外的一侧平面上，扫描探针(11)固定安装在所述十字悬浮片(9)的中心，处在扫描探头最前端的测球(12)固定安装在扫描探针(11)的端部。
2.根据权利要求1所述的三维微纳米接触扫描探头，其特征是所述各悬臂簧片(9)与固定圆环(8)相连接的一端均勻分布在固定圆环(8)的圆周上。
3.根据权利要求1所述的三维微纳米接触扫描探头，其特征是所述各悬臂簧片(9)与所在悬臂之间的夹角为锐角、钝角、直角或为180°角。
4.根据权利要求1所述的三维微纳米扫描探头，其特征是在所述悬臂簧片(10)与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片(10)与固定圆环⑶之间采用螺钉固定连接。
5.根据权利要求1所述的三维微纳米接触扫描探头，其特征是在所述悬臂簧片(10)与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片(10)与固定圆环(8)之间夹持一球体，形成悬臂簧片(10) 与悬臂，以及悬臂簧片(10)与固定圆环(8)之间的点接触连接。
6.根据权利要求5所述的三维微纳米接触扫描探头，其特征是所述点接触连接是在所述悬臂簧片(10)与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片(10)与固定圆环(8)之间的点接触位置处以粘胶粘接；或是在所述悬臂簧片(10)与悬臂之间，以及在所述悬臂簧片(10)与固定圆环(8)之间的点接触位置处设置一通孔，以通孔中贯穿的线绳对所述悬臂簧片(10)与悬臂，以及对所述悬臂簧片(10)与固定圆环(8)形成固定连接。
7.根据权利要求1所述的三维微纳米接触扫描探头，其特征是所述安装盒(3a)与安装板(5a)是由设置在筒体侧壁的紧定螺钉紧定固定，调整分处在安装盒(3a)和安装板(5a) 的不同侧面以及不同轴向位置上的各紧定螺钉获得对所述迈克尔逊干涉仪( 和二维角度传感器的俯仰和偏摆的调整。
8.根据权利要求7所述的三维微纳米接触扫描探头，其特征是在所述安装盒(3a)的至少一个侧部平行设置一对拱形簧板C3b)，所述拱形簧板(3b)双端支撑在所述安装盒(3a) 上，所述拱形簧板(3b)的支撑端为“之”形板；所述设置在筒体侧壁的紧定螺钉垂直顶在拱形簧板(3b)的拱面上。
9.根据权利要求7所述的三维微纳米接触扫描探头，其特征是在所述安装板(5a)的一个侧部平行设置一对板簧( )，所述板簧(5b)呈“之”形，一对板簧(5b)是以一端支撑在安装板(5a)的一侧边上，板簧(5b)的另一端以与贯穿筒体侧壁的固定螺钉螺纹连接。
全文摘要
本发明公开了一种三维微纳米接触扫描探头，其特征是在前段圆筒内，迈克尔逊干涉仪固定设置在安装盒中；在后段圆筒中，二维角度传感器固定安装在安装板上；在前段圆筒的前端面上设置一固定圆环，在固定圆环的中央设置十字悬浮片，十字悬浮片中各悬臂通过各悬臂簧片与固定圆环相连接，形成悬浮结构；在十字悬浮片上分别设置一中央平面反光镜和至少一个悬臂平面反光镜；迈克尔逊干涉仪的出射光投射在中央平面反光镜上，二维角度传感器的出射光投射在悬臂平面反射镜上；在十字悬浮片朝向筒体外的一侧平面上，扫描探针固定安装在十字悬浮片的中心。本发明能够获得大量程、高精度、高灵敏度和小测力的探测效果。
文档编号G01B11/03GK102506725SQ20111033637
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者李瑞君, 范光照, 钱剑钊, 陶胜, 黄强先 申请人:合肥工业大学