基于諧振模式的三維納米測頭觸發(fā)方法研究.pdf

1、納米測量技術(shù)是納米科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)學(xué)科之一，超精加工和超微加工進入納米技術(shù)的新時代，MEMS、超精密光學(xué)器件等的特征尺寸微型化，對這些微納米結(jié)構(gòu)的真三維測量要求達到納米、亞納米量級，測量力達到微牛甚至納牛量級。目前在數(shù)百微米至數(shù)毫米尺度間的真三維測量取得了一定進展，但還沒有成熟的技術(shù)。而納米觸發(fā)定位是實現(xiàn)納米測量的關(guān)鍵，三維納米觸發(fā)定位技術(shù)作為微納米三維技術(shù)的核心，是實現(xiàn)微器件等真三維納米測量的基礎(chǔ)，也是目前國內(nèi)外微納米三坐標測量機(Co

2、ordinate Measuring Machine，CMM)研究中的難點之一。
　　針對微納米CMM的研究需求和技術(shù)瓶頸，本文在對國內(nèi)外微納米CMM研究現(xiàn)狀和進展分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出三維納米維諧振觸發(fā)方法，基于該方法研制了三維納米諧振觸發(fā)測頭及三維納米諧振觸發(fā)測量與定位系統(tǒng)，可實現(xiàn)對微內(nèi)孔試樣的高分辨力三維觸發(fā)測量。完成的主要研究工作和成果總結(jié)如下:
　　1)三維納米諧振觸發(fā)測頭觸發(fā)方法及工作機理研究?；诮缑媪W(xué)理論分

3、析了三維諧振觸發(fā)測頭的動態(tài)接觸機理，分別構(gòu)建了X(Y)、Z向測球，試樣表面納米接觸相互作用的力學(xué)模型，根據(jù)建立的力學(xué)模型運動方程分析了范德華力、毛細力等介觀尺度界面作用力及合力對測頭運動的影響并進行數(shù)學(xué)仿真。
　　2)三維納米諧振觸發(fā)測頭構(gòu)建。基于光纖拉錐技術(shù)和田口法二級燒制制備光纖微球，得到二維直徑小于80μm，二維圓度小于0.70μm，二維偏心距小于0.65μm、真球度約為0.50μm的一體式光纖微探球。分別以石英音叉、PVD

4、F、雙端音叉作為微力傳感器，與一體式光纖微探球相結(jié)合，利用其諧振參數(shù)（諧振振幅、諧振頻率/諧振相位）對微力的高敏感性構(gòu)建了三維諧振觸發(fā)測頭。該種三維諧振觸發(fā)測頭的顯著特點是其在Z向工作于輕敲模式，而在X、Y向工作于摩擦模式。分別對石英音叉、PVDF系統(tǒng)噪聲水平、靈敏度、觸發(fā)分辨力、重復(fù)性等特性測試分析，得到兩系統(tǒng)在X、Y、Z三個方向的觸發(fā)分辨力均達到亞納米量級、單向重復(fù)性誤差均在十納米量級，其中石英音叉系統(tǒng)的各向測量力均在十至百微牛量級

5、，而PVDF系統(tǒng)的各向測量力達到亞微牛量級。
　　3)三維納米諧振觸發(fā)測量與定位系統(tǒng)研制。分別將基于石英音叉、PVDF的三維諧振觸發(fā)測頭與三維納米定位臺、反饋控制模塊、信號處理電路結(jié)合，構(gòu)成三維諧振觸發(fā)測量與定位系統(tǒng)。針對石英音叉三維觸發(fā)測量與定位系統(tǒng)設(shè)計了整體機械結(jié)構(gòu)、基于鎖相環(huán)路(PLL)的相位反饋控制電路，編寫了基于VC++的控制及測試程序。
　　4)三維納米諧振觸發(fā)測量與定位系統(tǒng)特性測試。通過對石英音叉系統(tǒng)圓周接近曲