專(zhuān)利名稱(chēng)：微納米三維接觸掃描測(cè)量探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米測(cè)試領(lǐng)域，更具體的說(shuō)是一種應(yīng)用在納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的接觸掃描式三維探頭，可以感測(cè)物體表面的三維形貌。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，微電子技術(shù)的快速發(fā)展引發(fā)了一場(chǎng)微小型化的革命，尤其是微機(jī)電系統(tǒng) MEMS器件的加工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種微納米級(jí)的微小器件，如微齒輪、微型孔，微型噴嘴，微型臺(tái)階等MEMS產(chǎn)品。這些微器件的幾何尺寸幾乎都處于微納米量級(jí)，要對(duì)這些微器件進(jìn)行精密測(cè)量，就要發(fā)展特殊的高精度檢測(cè)方法與技術(shù)手段。為此各國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)都致力于研究具有納米級(jí)精度的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的探頭部分是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的重要核心部件之一，探頭的精度大大影響了整體三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度。探頭有接觸式和非接觸式之分，接觸式探頭可以用來(lái)測(cè)量非接觸式探頭所不能測(cè)量的具有斜面、臺(tái)階、深孔、圓弧等特征的工件。接觸式探頭又分為接觸觸發(fā)式探頭和接觸掃描式探頭兩種。其中，接觸觸發(fā)式探頭是指探頭本身只起觸發(fā)作用，即當(dāng)測(cè)球接觸到被測(cè)工件時(shí)，探頭系統(tǒng)馬上輸出反饋信號(hào)給機(jī)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使機(jī)臺(tái)停下來(lái)，工件的具體尺寸是靠機(jī)臺(tái)的三軸測(cè)量系統(tǒng)來(lái)給出的，探頭本身并不具有測(cè)量功能，這種形式的探頭不能單獨(dú)使用，必須與機(jī)臺(tái)一起工作。而接觸掃描式探頭除了具備接觸觸發(fā)式探頭的功能外，還具有測(cè)量功能，可以直接對(duì)工件進(jìn)行感測(cè)并給出測(cè)量結(jié)果。目前已經(jīng)公布的接觸式探頭主要以接觸觸發(fā)式為主，比如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室、東京大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、天津大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)公布的探頭。接觸掃描式探頭主要包括德國(guó)聯(lián)邦物理研究院PTB、荷蘭Eindhoven工業(yè)大學(xué)、瑞士聯(lián)邦計(jì)量鑒定局METAS公布的探頭。PTB的測(cè)頭由硅膜和測(cè)桿組成。當(dāng)測(cè)桿的端部受到外力作用的時(shí)候，導(dǎo)致硅膜變形，通過(guò)硅膜上的壓阻變化檢測(cè)出測(cè)頭端部的位移和力的大小，該探頭采用24個(gè)壓阻檢測(cè)的方式，提高了檢測(cè)靈敏度，降低了測(cè)頭對(duì)溫度的影響，但其采用薄膜結(jié)構(gòu)使應(yīng)力分布不均勻，娃膜結(jié)構(gòu)比較容易斷裂。荷蘭Eindhoven大學(xué)開(kāi)發(fā)的基于應(yīng)變計(jì)的三維微接觸式傳感測(cè)頭，應(yīng)變計(jì)與電路和彈性元件一起通過(guò)沉淀、制版、刻蝕等工藝后被制作成一個(gè)整體，測(cè)頭各個(gè)方向的力和位移的變化通過(guò)裝在敏感粱上的應(yīng)變計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，體積較小，但應(yīng)變片的檢測(cè)靈敏度和精度都比較低，且其測(cè)頭采用三角形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解耦復(fù)雜。瑞士聯(lián)邦計(jì)量檢定局METAS開(kāi)發(fā)了一種電磁式微接觸式測(cè)頭，測(cè)頭具有三個(gè)方向的自由度，每個(gè)方向的檢測(cè)都采用電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，三個(gè)方向的測(cè)力相同，結(jié)構(gòu)主要由鋁制成， 電磁式測(cè)頭的測(cè)量范圍較高，橫向撿測(cè)靈敏度較高且接觸力較小，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、裝調(diào)困難，且采用三角形懸掛結(jié)構(gòu)，解耦非常麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種微納米三維接觸掃描測(cè)量探頭，以期獲得大量程、高精度、高靈敏度和小測(cè)力的探測(cè)效果。
本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明微納米三維接觸掃描測(cè)量探頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)置一測(cè)頭單元在一固定圓環(huán)的中央設(shè)置三臂懸浮片，在所述三臂懸浮片的各懸臂的臂端連接有懸臂簧片，所述各懸臂簧片的另一端與固定圓環(huán)相連接，形成三臂懸浮片在固定圓環(huán)中的懸浮結(jié)構(gòu)；在所述三臂懸浮片一側(cè)的中央位置處設(shè)置敏感元件測(cè)量反射鏡， 另一側(cè)安裝帶有紅寶石測(cè)球的測(cè)桿；一測(cè)量單元用于感測(cè)敏感元件測(cè)量反射鏡的位移和二維角度；所述測(cè)量單元的光路結(jié)構(gòu)為激光光源發(fā)射出的準(zhǔn)直光經(jīng)過(guò)第一分光鏡分成兩路準(zhǔn)直光，其中一路準(zhǔn)直光依次經(jīng)過(guò)第一 1/4波片和轉(zhuǎn)折反射鏡照射在參考反射鏡上并原路返回進(jìn)入第一分光鏡；另一路準(zhǔn)直光依次經(jīng)過(guò)第二 1/4波片和第二分光鏡照射在測(cè)量反射鏡上，照在所述測(cè)量反射鏡上的部分反射光原路返回至第一分光鏡，所述第一分光鏡的輸出光束依次經(jīng)過(guò)第三1/4 波片和第三分光鏡后分成兩路，一路進(jìn)入第四分光鏡后再分成兩路，分別照在第一光電感測(cè)器和第二光電感測(cè)器上；另一路進(jìn)入第五分光鏡后同樣再被分成兩路，分別照在第三光電感測(cè)器和第四光電感測(cè)器上；由所述第二分光鏡將所述測(cè)量反射鏡的部分反射光轉(zhuǎn)折， 并經(jīng)過(guò)透鏡照射在四象限光電感測(cè)器上。本發(fā)明微納米三維接觸掃描測(cè)量探頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于設(shè)置可以進(jìn)行左右偏擺角和前后俯仰角調(diào)節(jié)的反射鏡微調(diào)座和第二分光鏡微調(diào)座，所述參考反射鏡和第二分光鏡分別固定設(shè)置在反射鏡微調(diào)座和第二分光鏡微調(diào)座上， 調(diào)節(jié)所述反射鏡微調(diào)座，以使參考反射鏡的反射光束和測(cè)量反射鏡的反射光束分別在第一光電感測(cè)器，第二光電感測(cè)器、第三光電感測(cè)器和第四光電感測(cè)器上重合；調(diào)節(jié)所述第二分光鏡微調(diào)座使測(cè)量反射鏡的部分反射光依次經(jīng)第二分光鏡、透鏡照射在四象限光電感測(cè)器的中心位置處。所述反射鏡微調(diào)座和第二分光鏡微調(diào)座設(shè)置為二維微調(diào)機(jī)構(gòu)，所述二維微調(diào)機(jī)構(gòu)是由前擋板、中擋板和后擋板組成，中擋板以其相互垂直的兩側(cè)邊分別與前擋板和后擋板形成撓性連接，并在前擋板、中擋板和后擋板之間分別設(shè)置各螺釘以調(diào)整前擋板的左右偏擺角和前后俯仰角；后擋板上呈“L”連接的固定板作為二維微調(diào)機(jī)構(gòu)的基座和外部殼體固定設(shè)置；參考反射鏡和第二分光鏡分別固定設(shè)置在各自二維微調(diào)機(jī)構(gòu)中的前擋板上。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在I、本發(fā)明的測(cè)量單元中的可以感測(cè)位移和二維角度的三自由度的光學(xué)傳感器是采用同一光源，且對(duì)同一被測(cè)反射鏡的同一光束進(jìn)行位移和二維角度的感測(cè)，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單精巧。2、本發(fā)明通過(guò)反射鏡微調(diào)座和第二分光鏡微調(diào)座的二維微調(diào)結(jié)構(gòu)使測(cè)量單元中的位移和二維角度傳感器更輕松方便的調(diào)整。3、本發(fā)明在測(cè)頭單元設(shè)置具有高靈敏度和高穩(wěn)定性的懸浮結(jié)構(gòu)，配合采用位移和二維角度傳感器，可以使探頭達(dá)到的技術(shù)效果是測(cè)量范圍XY方向正負(fù)20微米，Z方向20 微米;分辨力1納米；重復(fù)性小于20納米；測(cè)力小于10毫牛。


圖I為本發(fā)明中測(cè)量單元光路結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明中測(cè)頭單元結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明中二維角度微調(diào)座結(jié)構(gòu)圖；圖4a為本發(fā)明中二維角度微調(diào)座主視示意圖； 圖4b為圖4a的A-A剖視圖；圖4c為圖4a的B-B剖視圖；圖5為本發(fā)明三維接觸掃描探頭整體結(jié)構(gòu)圖。圖中標(biāo)號(hào)1激光光源；2反射鏡微調(diào)座；3參考反射鏡；4第一分光鏡；5第一 1/4 波片；6轉(zhuǎn)折反射鏡；7第二 1/4波片；8第二分光鏡微調(diào)座；9測(cè)量反射鏡；10三臂懸浮片； 11測(cè)桿；12紅寶石測(cè)球；13第二分光鏡；14透鏡；15四象限感測(cè)器；16第三1/4波片；17 第三分光鏡；18第一光電感測(cè)器；19第二光電感測(cè)器；20第四分光鏡；21第三光電感測(cè)器； 22第四光電感測(cè)器；23第五分光鏡；24固定圓環(huán)；25懸臂簧片；28偏擺緊定螺釘；29偏擺六角凹頭螺釘；30俯仰緊定螺釘；31俯仰六角凹頭螺釘；32后擋板；33中擋板；34前擋板。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例中微納米三維接觸掃描測(cè)量探頭的結(jié)構(gòu)形式是設(shè)置一測(cè)頭單元是在一固定圓環(huán)24的中央設(shè)置三臂懸浮片10，在三臂懸浮片10的各懸臂的臂端連接有懸臂簧片25，各懸臂簧片25的另一端與固定圓環(huán)24相連接，形成三臂懸浮片10在固定圓環(huán)24中的懸浮結(jié)構(gòu)；在三臂懸浮片10—側(cè)的中央位置處設(shè)置敏感元件測(cè)量反射鏡9，另一側(cè)安裝帶有紅寶石測(cè)球12的測(cè)桿11 ；—測(cè)量單元用于感測(cè)敏感元件測(cè)量反射鏡9的位移和二維角度；測(cè)量單元的光路結(jié)構(gòu)為激光光源I發(fā)射出的準(zhǔn)直光經(jīng)過(guò)第一分光鏡4分成兩路準(zhǔn)直光，其中一路準(zhǔn)直光依次經(jīng)過(guò)第一 1/4波片5和轉(zhuǎn)折反射鏡6照射在參考反射鏡3上并原路返回進(jìn)入第一分光鏡4 ;另一路準(zhǔn)直光依次經(jīng)過(guò)第二 1/4波片7和第二分光鏡13照射在測(cè)量反射鏡9上，照在測(cè)量反射鏡9上的部分反射光原路返回至第一分光鏡4，第一分光鏡4的輸出光束依次經(jīng)過(guò)第三1/4波片16和第三分光鏡17分成兩路，一路進(jìn)入第四分光鏡20后再分成兩路，分別照在第一光電感測(cè)器18和第二光電感測(cè)器19上；另一路進(jìn)入第五分光鏡23后同樣再分成兩路，分別照在第三光電感測(cè)器21和第四光電感測(cè)器22上，用于感測(cè)位移引起0-90-180-270 度不同相位的干涉信號(hào)的光強(qiáng)變化，測(cè)得測(cè)量反射鏡9的位移值；由第二分光鏡13將測(cè)量反射鏡9的部分反射光轉(zhuǎn)折，并經(jīng)過(guò)透鏡14照射在四象限光電感測(cè)器15上，用于感測(cè)測(cè)量反射鏡9沿XY方向的二維角度值，當(dāng)測(cè)量反射鏡9有小角度變化時(shí)，聚焦在四象限光電感測(cè)器15上的光點(diǎn)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而感測(cè)沿X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)小角度。具體實(shí)施中，設(shè)置可以進(jìn)行左右偏擺角和前后俯仰角調(diào)節(jié)的反射鏡微調(diào)座2和第二分光鏡微調(diào)座8，參考反射鏡3和第二分光鏡13分別固定設(shè)置在反射鏡微調(diào)座2和第二分光鏡微調(diào)座8上，調(diào)節(jié)反射鏡微調(diào)座2，以使參考反射鏡3的反射光束和測(cè)量反射鏡9的反射光束分別在第一光電感測(cè)器18，第二光電感測(cè)器19、第三光電感測(cè)器21和第四光電感測(cè)器22上重合，形成干涉，并記錄測(cè)量反射鏡9的位移值；調(diào)節(jié)第二分光鏡微調(diào)座8使測(cè)量反射鏡9的部分反射光依次經(jīng)第二分光鏡13、透鏡14照射在四象限光電感測(cè)器15的中心位置處，以保證位移和二維角度傳感器XY值的歸零。參見(jiàn)圖3，本實(shí)施例中，反射鏡微調(diào)座2和第二分光鏡微調(diào)座8設(shè)置為二維微調(diào)機(jī)構(gòu)，二維微調(diào)機(jī)構(gòu)是由前擋板34、中擋板33和后擋板32組成，中擋板33以其相互垂直的兩側(cè)邊分別與前擋板34和后擋板32形成撓性連接，并在前擋板34、中擋板33和后擋板32 之間分別設(shè)置各螺釘以調(diào)整前擋板34的左右偏擺角和前后俯仰角；后擋板32上呈“L”連接的固定板作為二維微調(diào)機(jī)構(gòu)的基座和外部殼體固定設(shè)置；參考反射鏡3和第二分光鏡13 分別固定設(shè)置在各自二維微調(diào)機(jī)構(gòu)中的前擋板34上。參見(jiàn)圖4a、圖4b和圖4c,用于調(diào)整偏擺的是一偏擺緊定螺釘28和偏擺六角凹頭螺釘29，其中，偏擺緊定螺釘28與后擋板32上的螺紋孔相配合，偏擺六角凹頭螺釘29與中擋板33上的螺紋孔相配合，偏擺緊定螺釘28與偏擺六角凹頭螺釘29的中心處在同一水平線上。調(diào)整偏擺緊定螺釘28時(shí)會(huì)對(duì)中擋板33產(chǎn)生推的作用，而調(diào)整偏擺六角凹頭螺釘29 時(shí)，會(huì)對(duì)中擋板33產(chǎn)生拉的作用。一推一拉作用便可實(shí)現(xiàn)前擋板34的水平偏擺角度的調(diào)整。同理，用于調(diào)整俯仰的是一俯仰緊定螺釘30和一俯仰六角凹頭螺釘31，其中，俯仰緊定螺釘30與中擋板33上的螺紋孔相配合，俯仰六角凹頭螺釘31與前擋板34上的螺紋孔相配合，俯仰緊定螺釘30與俯仰六角凹頭螺釘31的中心線處在同一豎直線上，調(diào)整俯仰緊定螺釘30時(shí)會(huì)對(duì)前擋板34產(chǎn)生推的作用，而俯仰調(diào)整六角凹頭螺釘31時(shí)，會(huì)對(duì)前擋板34產(chǎn)生拉的作用，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)前擋板34的豎直俯仰角度的調(diào)整。參見(jiàn)圖5，本實(shí)施例中的測(cè)量單元中各光學(xué)器件的裝夾固定設(shè)置為激光器I由固定底座固定，第一分光鏡4、第一 1/4波片5、第二 1/4波片7、第三1/4波片16、第三分光鏡
17、第四分光鏡20和第五分光鏡23由夾具所夾持，轉(zhuǎn)折反射鏡6由"L"型固定座固定，透鏡14和四象限感測(cè)器15由"U"型固定座固定，參考反射鏡3和第二分光鏡13分別由2 反射鏡微調(diào)座和8第二分光鏡微調(diào)座固定并進(jìn)行調(diào)節(jié)。微納米三維接觸掃描測(cè)量探頭屬于接觸式探頭，在感測(cè)物體表面三維形貌的同時(shí)，要保證不能破壞物體表面，因此需要高靈敏度的力學(xué)機(jī)構(gòu)。本實(shí)施例中作為彈性元件的懸臂簧片25采用鈹青銅簧片，測(cè)量反射鏡9粘貼在懸浮的三臂懸浮片10上，三臂懸浮片10 和圓環(huán)24之間用三片鈹青銅簧片進(jìn)行連接。當(dāng)測(cè)桿11前端的紅寶石測(cè)球12接觸物體而受力時(shí)，三個(gè)鈹青銅彈性簧片會(huì)發(fā)生變形，導(dǎo)致三臂懸浮片10和測(cè)量反射鏡9會(huì)發(fā)生位移和二維角度的變化，此變化可以由上部的位移和二維角度傳感器進(jìn)行感測(cè)。同樣，當(dāng)紅寶石測(cè)球12在物體表面接觸掃描時(shí)，物體表面的三維形貌可以由此探頭感測(cè)出。本實(shí)施例中的納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸掃描式三維探頭，突破了常規(guī)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)探頭僅僅有觸發(fā)功能的限制，而且有掃描測(cè)量功能，測(cè)量范圍較大，XY方向有正負(fù) 20 μ m，Z向有20 μ m ;測(cè)量精度較高，各向重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差均小于20nm ;各向同性且測(cè)力較小， 約 IOmN0通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證其測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高，以及各向同性且測(cè)力較小等特點(diǎn)。I、探頭回零實(shí)驗(yàn)此實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)探頭回零點(diǎn)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。方法是搭建一維微動(dòng)平臺(tái)，表面光潔的量塊固定在一維平臺(tái)上作為探頭觸碰的標(biāo)準(zhǔn)件，手動(dòng)一維平臺(tái)去觸碰探針，探針觸碰后，繼續(xù)推平臺(tái)前進(jìn)約20 μ m，然后返回，當(dāng)探針脫離標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，記錄此刻探頭的讀數(shù)，多次重復(fù)上述步驟即可，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表I所示表I各方向回零重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
1st2nd3rd5th6thσX正方向回零誤差(nm)-2.137.675.01-8.4-7.17-5.56.67X負(fù)方向回零誤差(nm)-5.2311.022.1-1.33-5.55-1.016.11Y正方向回零誤差(nm)-10.762.9613.06-0.34-0.69-1.347.69Y負(fù)方向回零誤差(nm)-4.58-1.188.236.46-7.91-1.036.25Z正方向回零誤差(nm)20.7216.3515.517.7616.3517.021.84從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出該探頭回零誤差標(biāo)準(zhǔn)差小于10nm，從而證明了該探頭的懸浮機(jī)構(gòu)具有良好的彈性。2、探頭各向重復(fù)性實(shí)驗(yàn)探頭XY方向重復(fù)性實(shí)驗(yàn)架構(gòu)如下搭建一維平臺(tái)，用PI納米電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，用SIOS 激光干涉儀作為位移基準(zhǔn)。表面光潔的量塊固定在一維平臺(tái)上，作為探頭觸碰的標(biāo)準(zhǔn)件。 當(dāng)測(cè)頭觸碰標(biāo)準(zhǔn)件，觸碰后，PI電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行5 μ m、10 μ m、15 μ m、20 μ m定位，同時(shí)記錄SIOS激光干涉儀讀數(shù)和探頭XY的兩路信號(hào)。多次重復(fù)以上步驟即可。之后探頭旋轉(zhuǎn)90 度、180度、270度，繼續(xù)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。也就是對(duì)探頭X正方向，Y正方向，X負(fù)方向，Y負(fù)方向進(jìn)行觸碰。探頭Z方向的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上平臺(tái)上完成。此平臺(tái)可以在Z方向運(yùn)動(dòng)，也是用PI納米電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用激光回饋干涉儀作為位移標(biāo)準(zhǔn)。同樣將觸碰的標(biāo)準(zhǔn)件固定至平臺(tái)上，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)Z向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)頭觸碰標(biāo)準(zhǔn)件后，PI電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行 2 μ m、4 μ m、6 μ nr·· 20 μ m的定位，同時(shí)記錄激光干涉儀讀數(shù)和簡(jiǎn)易的邁克爾遜干涉儀的讀數(shù)。多次重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2，表3，表4所示。表2X向各點(diǎn)重復(fù)性數(shù)據(jù)
X位置(μ m)位移偏差(nm)標(biāo)準(zhǔn)差(nm)2012.124.14.410.32.3-15.113.7153.8-9.0-7.9-1.817.02.67.610-8.6-19.0-5.71.00.84.18.75-22.93.913.33.9-5.0-1.810.0-53.7-5.35.18.5-14.1-8.68.4-10-6.6-12.7-13.97.52.83.98.7-1511.010.813.6-16.9-5.2-7.910.4-2016.9-7.116.0-10.4-14.622.414.0表3Y向各點(diǎn)重復(fù)性數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.微納米三維接觸掃描測(cè)量探頭，其特征是設(shè)置一測(cè)頭單元在一固定圓環(huán)(24)的中央設(shè)置三臂懸浮片(10)，在所述三臂懸浮片(10) 的各懸臂的臂端連接有懸臂簧片(25)，所述各懸臂簧片(25)的另一端與固定圓環(huán)(24)相連接，形成三臂懸浮片(10)在固定圓環(huán)(24)中的懸浮結(jié)構(gòu)；在所述三臂懸浮片(10) — 側(cè)的中央位置處設(shè)置敏感元件測(cè)量反射鏡(9)，另一側(cè)安裝帶有紅寶石測(cè)球(12)的測(cè)桿(11);一測(cè)量單元用于感測(cè)敏感元件測(cè)量反射鏡(9)的位移和二維角度；所述測(cè)量單元的光路結(jié)構(gòu)為激光光源(I)發(fā)射出的準(zhǔn)直光經(jīng)過(guò)第一分光鏡(4)分成兩路準(zhǔn)直光，其中一路準(zhǔn)直光依次經(jīng)過(guò)第一 1/4波片(5)和轉(zhuǎn)折反射鏡(6)照射在參考反射鏡(3)上并原路返回進(jìn)入第一分光鏡(4);另一路準(zhǔn)直光依次經(jīng)過(guò)第二 1/4波片(7)和第二分光鏡(13)照射在測(cè)量反射鏡(9)上，照在所述測(cè)量反射鏡(9)上的部分反射光原路返回至第一分光鏡(4)， 所述第一分光鏡(4)的輸出光束依次經(jīng)過(guò)第三1/4波片(16)和第三分光鏡(17)后分成兩路，一路進(jìn)入第四分光鏡(20)后再分成兩路，分別照在第一光電感測(cè)器(18)和第二光電感測(cè)器(19)上；另一路進(jìn)入第五分光鏡(23)后同樣再被分成兩路，分別照在第三光電感測(cè)器(21)和第四光電感測(cè)器(22)上；由所述第二分光鏡(13)將所述測(cè)量反射鏡(9)的部分反射光轉(zhuǎn)折，并經(jīng)過(guò)透鏡(14)照射在四象限光電感測(cè)器(15)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納米三維接觸掃描測(cè)量探頭，其特征是設(shè)置可以進(jìn)行左右偏擺角和前后俯仰角調(diào)節(jié)的反射鏡微調(diào)座(2)和第二分光鏡微調(diào)座(8)，所述參考反射鏡(3)和第二分光鏡(13)分別固定設(shè)置在反射鏡微調(diào)座(2)和第二分光鏡微調(diào)座(8)上， 調(diào)節(jié)所述反射鏡微調(diào)座(2)，以使參考反射鏡(3)的反射光束和測(cè)量反射鏡(9)的反射光束分別在第一光電感測(cè)器(18)，第二光電感測(cè)器(19)、第三光電感測(cè)器(21)和第四光電感測(cè)器(22)上重合；調(diào)節(jié)所述第二分光鏡微調(diào)座(8)使測(cè)量反射鏡(9)的部分反射光依次經(jīng)第二分光鏡(13)、透鏡(14)照射在四象限光電感測(cè)器(15)的中心位置處。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納米三維接觸掃描測(cè)量探頭，其特征是所述反射鏡微調(diào)座(2)和第二分光鏡微調(diào)座(8)設(shè)置為二維微調(diào)機(jī)構(gòu)，所述二維微調(diào)機(jī)構(gòu)是由前擋板(34)、中擋板(33)和后擋板(32)組成，中擋板(33)以其相互垂直的兩側(cè)邊分別與前擋板(34)和后擋板(32)形成撓性連接，并在前擋板(34)、中擋板(33)和后擋板(32)之間分別設(shè)置各螺釘以調(diào)整前擋板(34)的左右偏擺角和前后俯仰角；后擋板(32)上呈“L”連接的固定板作為二維微調(diào)機(jī)構(gòu)的基座和外部殼體固定設(shè)置；參考反射鏡(3)和第二分光鏡(13)分別固定設(shè)置在各自二維微調(diào)機(jī)構(gòu)中的前擋板(34)上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微納米三維接觸掃描測(cè)量探頭，其特征是設(shè)置一測(cè)頭單元是在一固定圓環(huán)的中央設(shè)置三臂懸浮片，在三臂懸浮片的各懸臂的臂端連接有懸臂簧片，各懸臂簧片的另一端與固定圓環(huán)相連接，形成三臂懸浮片在固定圓環(huán)中的懸浮結(jié)構(gòu)；在三臂懸浮片一側(cè)的中央位置處設(shè)置敏感元件測(cè)量反射鏡，另一側(cè)安裝帶有紅寶石測(cè)球的測(cè)桿；設(shè)置一測(cè)量單元用于感測(cè)敏感元件測(cè)量反射鏡的位移和二維角度。本發(fā)明能獲得大量程、高精度、高靈敏度和小測(cè)力的探測(cè)效果。
文檔編號(hào)G01B11/00GK102589423SQ20121000565
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者張友良, 張晴, 李瑞君, 王志偉, 苗晉偉, 范光照, 龔偉 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)