基于諧振模式的三維納米測(cè)頭觸發(fā)方法研究.pdf

1、納米測(cè)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(jìn)入納米技術(shù)的新時(shí)代，MEMS、超精密光學(xué)器件等的特征尺寸微型化，對(duì)這些微納米結(jié)構(gòu)的真三維測(cè)量要求達(dá)到納米、亞納米量級(jí)，測(cè)量力達(dá)到微牛甚至納牛量級(jí)。目前在數(shù)百微米至數(shù)毫米尺度間的真三維測(cè)量取得了一定進(jìn)展，但還沒有成熟的技術(shù)。而納米觸發(fā)定位是實(shí)現(xiàn)納米測(cè)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(shí)現(xiàn)微器件等真三維納米測(cè)量的基礎(chǔ)，也是目前國(guó)內(nèi)外微納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(Co

2、ordinate Measuring Machine，CMM)研究中的難點(diǎn)之一。
　　針對(duì)微納米CMM的研究需求和技術(shù)瓶頸，本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外微納米CMM研究現(xiàn)狀和進(jìn)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(cè)頭及三維納米諧振觸發(fā)測(cè)量與定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微內(nèi)孔試樣的高分辨力三維觸發(fā)測(cè)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(cè)頭觸發(fā)方法及工作機(jī)理研究?；诮缑媪W(xué)理論分

3、析了三維諧振觸發(fā)測(cè)頭的動(dòng)態(tài)接觸機(jī)理，分別構(gòu)建了X(Y)、Z向測(cè)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(yùn)動(dòng)方程分析了范德華力、毛細(xì)力等介觀尺度界面作用力及合力對(duì)測(cè)頭運(yùn)動(dòng)的影響并進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真。
　　2)三維納米諧振觸發(fā)測(cè)頭構(gòu)建?；诠饫w拉錐技術(shù)和田口法二級(jí)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(duì)微力的高敏感性構(gòu)建了三維諧振觸發(fā)測(cè)頭。該種三維諧振觸發(fā)測(cè)頭的顯著特點(diǎn)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(duì)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(cè)試分析，得到兩系統(tǒng)在X、Y、Z三個(gè)方向的觸發(fā)分辨力均達(dá)到亞納米量級(jí)、單向重復(fù)性誤差均在十納米量級(jí)，其中石英音叉系統(tǒng)的各向測(cè)量力均在十至百微牛量級(jí)

5、，而PVDF系統(tǒng)的各向測(cè)量力達(dá)到亞微牛量級(jí)。
　　3)三維納米諧振觸發(fā)測(cè)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(cè)頭與三維納米定位臺(tái)、反饋控制模塊、信號(hào)處理電路結(jié)合，構(gòu)成三維諧振觸發(fā)測(cè)量與定位系統(tǒng)。針對(duì)石英音叉三維觸發(fā)測(cè)量與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)了整體機(jī)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(cè)試程序。
　　4)三維納米諧振觸發(fā)測(cè)量與定位系統(tǒng)特性測(cè)試。通過對(duì)石英音叉系統(tǒng)圓周接近曲