MEMS壓阻式三維微觸覺測頭及其在納米測量機上的應用研究.pdf

1、本文針對微小結構和器件對大范圍、高精度的坐標測量方法和裝置的需求，研究了一種基于壓阻檢測原理的MEMS三維微觸覺式測頭，并基于納米測量機(NMM)構建了相應的幾何量測量系統(tǒng)。論文完成了以下主要工作： 1.設計了一種采用由測桿和懸掛系統(tǒng)組成的壓阻式微觸覺測頭，并基于結構矩陣分析和材料力學原理，創(chuàng)建了測頭的力學分析模型。計算了測頭的整體剛度、敏感梁的應力分布、測頭靈敏度、變形范圍和線性范圍等參數(shù)，建立了測端位移與壓阻敏感單元應力變化

2、之間的對應關系；研究了測量過程中測頭和樣品之間靜態(tài)力、動態(tài)力等受測頭結構參數(shù)和坐標測量機運動參數(shù)的影響機理；同時建立了測頭壓阻敏感單元的三維檢測模型，分析了敏感梁的應力分布狀況，確定了壓阻單元的敏感方向、類型、壓阻數(shù)目、網(wǎng)絡排布方式和結構尺寸。 2.建立了測頭有限元仿真模型并進行測頭結構的優(yōu)化。模擬計算了測頭的應力分布、剛度、機械強度、疲勞極限、共振頻率等性能參數(shù)，選擇合適的測頭懸掛系統(tǒng)拓撲結構和測桿結構，并在工藝實現(xiàn)的基礎上，

3、創(chuàng)新性地提出了微尺度下的測桿與中心連接體的定位和對準方法和裝置，實現(xiàn)了測頭各單元之間的精密裝配；基于測頭力學模型確定結構參數(shù)的大概范圍，根據(jù)測頭的梁、中心連接體、測桿等結構參數(shù)對性能影響程度，選擇了測頭各單元最優(yōu)化的結構形式和參數(shù)；基于理論分析的結論，與優(yōu)化參數(shù)的仿真數(shù)據(jù)進行了的比對和驗證。 3.研究了微觸覺測頭的工藝加工技術。設計了測頭懸掛系統(tǒng)的MEMS版圖，研究了加工過程中有關壓阻、凸角補償?shù)汝P鍵工藝，制定工藝流程，并與北大

4、微電子所合作加工了測頭懸掛系統(tǒng)；基于超精密加工技術，實現(xiàn)了測桿及其頂端觸覺小球的制造，并根據(jù)NMM對測頭工作空間的要求，研究測頭的封裝方式和固定方法，實現(xiàn)和外圍處理電路的電連接。 4.開展了微觸覺測頭的性能測試。首次創(chuàng)建了基于NMM的微觸覺測頭的性能測試系統(tǒng)，研究了壓阻檢測電橋輸出微弱電信號的濾波、放大等方法，設計了壓阻信號采集調理電路中及相應的軟件功能模塊；開展了對測頭的線性、靈敏度、遲滯、和耦合特性的測試；利用精密壓電陶瓷驅