（机械电子工程专业论文）微机电台阶测量仪系统设计与研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 近年来随着微机电系统( m e m s ) 的推广应用，m e m s 技术已成为二十一世纪的关键 技术之一。硅由于其自身良好的材料性能在m e m s 中受到了广泛的应用。m e m s 加工工 艺中基于硅片的体微加工技术、表面微加工技术等加工工艺的改进和完善，使得一些微 小元件中的微细台阶结构越来越微小，具有更大的深宽比。而专用于测量这些微小器件 关键结构尺寸的检测仪器不是很多，很多检测仪器都是测量微型元件的整个3 d 形貌，虽 然它们的测试功能多，精度高，但普遍价格昂贵，难以普及，不适于当前国内微型器件 的测量要求。基于此我们研制成功了研制了一种简单实用的台阶测量系统，它能准确， 完整的测出这些微小器件的微细台阶的具体尺寸，满足了当前微细台阶的测量要求“3 。 本文主要做了以下几个方面得工作： 1 设计了一种微力电感测头，该测头采用变截面片簧作回转运动的测头支撑机构， 能实现测量力小，无摩擦，没有磨损。 2 用a n s y s 对电感测头的关键结构做了仿真设计，验证了理论设计的正确性。 3 对电感测头做了静态性能测试实验实验表明测头稳定性较好，线形度约为 o 1 8 。 4 台阶仪由于采用步进电机运动平台存在偏心作用力和振动噪声问题，从软、硬件 两方面采取措施有效抑制和减小了它们对测量结果的影响。 对台阶仪进行标定后，最后用标准样块和加工后的硅片对台阶仪系统进行实际测 试，结果表明该仪器具有测量力小。磨损小，分辨率高和较好的测量精度的特点，能满 足微机电台阶测量的需要。 关键词：微机电；台阶测量：静态性能： 测量力 第1 页 a b s t r a c t m e m s ，w i t hi t sw i d ea p p l i c a t i o n ，h a sb e c o m eo n eo ft h em o s tc r i t i c a lt e c h n o l o g i e si nt h e2 1 “c e n t u r y , b e c a u s eo fi t sf a v o u r a b l em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s iw a sw i d e l yu s e di nm e m s t h ei m p r o v e m e n ta n d p e r f e c t i o n o fm a c h i n i n gt e c h n o l o g i e s ，s u c ha s ，s i b a s e db o d y m i c r o - m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e sa n d s u r f a c e m i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e sm a k e di tp o s s i b l ef o rs t r u c t u r e sw i t hm i c r oa n dt h i ns t e p sb e c o m e s m a l l e ra n ds m a l l e r , a n dg e tah i g h e rd e p t h - w i d t hr a t i o h o w e v e r , i n s t r u m e n t ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rt h e m e a s u r e m e n t o ft h e s ec r i t i c a ls t r u c t u r e sw e r ef e w a l t h o u g ht h e r ew e r es o m ei n s t r u m e n t sf o rt h e m e a s u r e m e n to ft h ew h o l e3 dp r o f i l eo fam i c r o - s t r u c t u r e ，w i t hah i g ha c c u r a c y , y e tt h e yw e r et o o e x p e n s i v et ob eu s e dw i d e l y , a n dc o u l dn o ts a t i s f yt h ed o m e s t i cn e e df o rm e a s u r i n gm i c r o s t r u c t u r e s i n v i e wo f t h i sr e a s o n ，w ed e v e l o pas i m p l i f i e da n dp r a c t i c a ls t e pp r o f i l e rs u c c e s s f u l l y , w h i c hc o u l da c c u r a t e l y a n dp e r f e c t l ym e a s u r et h ed i m e n s i o no fam i c r oa n dt h i ns t e po fam i c r o - d e v i c e ，s a t i s f y i n gt h en e e d m e n t i o n e da b o v e t h em a i nw o r k si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 am i c r o - f o r c ei n d u c t a n c ep r o b ew a sd e s i g n e d ，w h i c hh a dam i c r o f o r c e ，n of r i c t i o na n dw e a r ，w i t ha m e a s u r e m e n tm e c h a n i s mw i t hv a r y i n gc r o s ss e c t i o np l a t es p r i n gt h a tw o r k e dw i t hr o t a t i v em o v e m e n t ， 2 t h ed e s i g no ft h ec r i t i c a ls t r u c t u r e so ft h ei n d u c t a n c ep r o b ew a ss i m u l a t e dw i t ha n s y s ，v a l i d a t i n gt h e t h e o r e t i c a ld e s i g n 3 t h es t a t i cp e r f o r m a n c e so ft h ep r o b ew a st e s t e d ，i n d i c a t i n gt h a tt h ep r o b eh a dag o o ds t a b i l i t ya n da l i n e a r i t yo f 018 4 s o m ee f f e c t i v es o f t w a r ea n dh a r d w a r em e a s u r e sw e r et a k e nt or e s t r a i na n dm i n i s ht h ee f f e c to ft h e e c c e n t r i c i t yf o r c e sa n dv i b r a t i o nn o i s e sc a u s e db yt h es t e p m o t o rp l a t e i nc o n c l u s i o n ，a f t e rt h ec a l i b r a t i o no ft h e s t e pp r o f i l e r , as t a n d a r ds a m p l eb l o c ka n daw a f e rw e r e m e a s u r e dr e s p e c t i v e l yw i t hi t t h er e s u l t so f t h em e a s u r e m e n ti n d i c a t e dt h a ti th a dm i c r o f o r c e ，s l i g h tw e a r ， h i g hr e s o l u t i o na n dg o o da c c u r a c y ，s a t i s f i e dt h en e e do fm e a s u r i n gs t e p si nm e m s k e yw o r d s ：m e m s ；s t e ph e i g h tm e a s u r e m e n t ；s t a t i cp e r f o r m a n c e s ：m e a s u r i n gf o r c e 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：i 逝鱼龟堕型量送歪缝选主土量丛寇 学位论文作者签名： 蕉i 墨日期：沁年f ，月。二日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：邀扭皇鱼睑测量丛丕红遮主士当堑盔 学位论文作者签名 作者指导教师签名 查叠 盔班 日期：扣哆年，月堙e 1 日期：础吁年月奴曰 型鳖坠墅鎏耋堡竺堂箜堡一 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 1 1 1 课题的来源 本课题来源于我校的重点预研项目“军用微机电系统”。军用微机电系统中微细加 工的各种微机电零件、微电路、微光学元件等微小零件的表面微细结构中，大部分 都有规则的横向和纵向几何尺寸“。例如通过微机电工艺制作的零件表面的 各种粱和槽，大规模集成电路硅片上的刻线，通过多次套刻与刻蚀方法制作的二元光 学元件表面台阶结构。随着微机械加工工艺和新的加工手段的出现使得m e m s 中的零件 尺寸越来越微型化，这些零件中关键参数特别是些大深宽比的微细台阶或刻槽高度的 准确检测成为保证零件质量，产品合格的重要环节“1 。 l 1 2 课题研究的背景和意义 微机电系统是微型机构、微型传感器、微型执行器、以及信号处理和控制电路甚至 接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统”i 。微机电系统在美国常称为微型电子机 械系统m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) 。按外形尺寸特征，微机电系统可分 为1 1 0 m 珊的微小型机械系统，l i m 1 州州的微机械系统，以及1 月川【m ? 的纳米 机械系统。m e m s 由于具有能够在在狭小空间内进行作业而不扰乱工作环境和对象的特 点，在航空航天、精密一起、生物医疗、军事应用等领域有着广阔的应用潜力，并成为 纳米技术研究的重要手段，因而受到各国的高度重视，被列为2 l 世纪关键技术之首。 美国国会已把m e m s 的研究作为2 l 世纪重点发展的学科之，美国国家基金会也拨巨资 开始了m e m s 的研究；欧共体国家在尤里卡计划中将m e m s 作为一个重要的研究内容并在 法、德两国组织实施；日本通产省1 9 9 1 年丌始启动一项为期l o 年耗资2 5 0 亿日元的m e m s 研究计划。在我国，m e m s 的研究也逐渐得到重视，国家科委、国防科工委、国家自然科 学基金委等部门均将其列为重点发展项目。 概括起来，m e m s 具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、能实现复杂功能、可批 量制作、可集成等特点“”1 。由于m e m s 本身特点决定了其在军事国防技术方面有重要 运用价值和前景，如导航、微型传感器、微小飞行器、微型卫星、战场感知、防生化武 器和现代信息战等方面。m e m s 器件中存在大量的刻线，台阶等微细结构，图1 1 ，1 2 所示为上海微系统所研制的平衡式微加速度计、微机械陀螺中栅结构电容谐式振陀螺芯 片叫。 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 幽l1 平衡式微加速度计图1 ，2 栅结构电容式谐振陀螺芯片 近年来随着纳米技术的蓬勃兴起，特别是微加工技术的不断深入发展使得m e m s 器 件尺寸越来越小，刻线越来越细。m e m s 中微小元器件制作工艺过程中，对各种薄膜台 阶参数的精确、快速测定和控制，是保证器件质量、提高生产效率的重要手段“1 。微机 电台阶测量是传统的表面形貌测量的一个新发展，与传统的表面形貌测量相比，其测量 样品多为单向性布局的规则表面，样品多为不同材料且硬度较小，样品表面刻槽具有较 大的深宽比，要求测量范围较大，测量力较小。 1 2 台阶测量研究现状分析 1 2 1 接触式测量 接触式测量中最广泛使用的接触式测量仪是触针式轮廓仪，其中最为著名的是英国 t a y l _ o r h o b s o n 公司的t a y l o r s u r f 和n a n o s u r f 等系列轮廓仪以及美国k l a - - t e n c o r 公司 的a 仪l p h a - - s t e p i q 系列智能台阶仪，它们一般采用会刚石探针扫描被测表面。其优 点是：测量范围大、分辨率高、测量结果稳定可靠、重复性好。其最大缺点是：探针常 常会划伤被测表面，这在测量软质材料时尤其明显。 1 2 2 非接触式测量 菲接触式方法2 0 世纪5 0 年代，由于光学技术被引入表面形貌测量，从而实现了非 接触测量。大部分非接触式光学形貌仪是在2 0 世纪8 0 年代后才研制和开发出来的。下 面主要介绍几种典型方法。 1 光学散射法。当激光以一定角度入射到粗糙表面上时，散射光强度分布是一正 态分布，其角分布与表面粗糙度之间有一定的对应关系。光学散射法的特点具有测量速 度快和仪器结构简单等优点“。由于它测量的是被测表面的平均特性，故不能给出表 国防科学技术大学研究生院学位论文 面的形貌，属于一种参数测量技术。 2 光学探针法。光学探针法的种类很多，但本质上都是以一很小的聚焦光点入射 到被测表面，来模拟机械触针进行测量“”。 a 三角法；入射光聚焦在被测表面上，反射光成像在位敏探测器的接收面上。当激 光扫描被测表面时，表面微观几何形状高度的变化将改变位敏探测器上像点的位置，从 而可得到表面微观轮廓。三角法轮廓测量的纵向分辨率为0 5 j m ，精度约为3 i 册。它 只能测量较粗糙的表面1 。 b 离焦检测法：常用的离焦误差检测技术有四种：像散法、临界角法、傅科棱镜法 和离轴法。基于临界角法，日本研制出的h i p o s s 光学表面传感器，其横向分辨率为 0 6 5 ，删，纵向分辨率为0 2 m ( 均方根值) ，测量范围为1 5 j 删。离焦误差检测法的 优点是仪器体积小、测量分辨率高、适合于在线测量：缺点为测量范围小，只能测量较 光滑的表面“。 c 光探针干涉法：采用很细的聚焦光探针入射被测表面，物体表面的高度变化引起 参考光和测量光光程差的变化。通过相位比较，可获得表面的轮廓。基于该方法研制的 轮廓仪，共光路外差式光探针技术占主流，其特点为：参考光束和测量光束沿共同的光 路入射到被测表面上，导轨运动误差以及外界的振动和空气扰动等对两束光的相位影响 相同，从而大大提高了仪器的抗干扰能力“。 3 干涉显微镜法。与其它光学技术相比，干涉显微镜具有表面信息直观和测量精度 高等优点，而且一次可测量某一区域内的三维形貌“。 a 相移扫描干涉显微镜：其代表产品为美国w y k o 公司的n t 一2 0 0 0 三维形貌仪 1 2 。 它在m i r a u 干涉显微镜的基础上进行了改装，其垂直测量范围为0 1 1 5 0 “，纵 向分辨率优于0 1 n m ( r a ) ，水平分辨率由显微镜数值孔径决定，在微米量级。 b 微分干涉相衬显微镜：它利用了波面剪切干涉技术，它的纵向分辨率达0 4 月州。 又由于采用共光路设计，所以抗振动和空气的干扰能力很强，但它只能进行表面形貌的 定性分析。 c 扫描白光干涉显微镜：它采用白光光源，其结构类似于m i r a u 干涉显微镜。通过 压电陶瓷驱动参考镜进行扫描干涉，表面的形貌只有在零光程处才具有对比度最好的条 纹。 d 扫描电子显微镜( s e m ) ：用聚焦的电子束作为探针，通过接收表面激发出的二次 电子，得到放大的扫描电子图像。这种方法的垂直分辨率和水平分辨率分别为l o n m 和 2 n m 。目前主要用于对表面形貌的定性分析，因为s e m 存在着以下缺点：垂直分辨率低， 需在真空环境下工作“”“。 e 扫描隧道显微镜( s t m ) ：通过细针尖在样品上进行扫描，检测隧道电流的变化， 获得样品表面的微观形貌。其垂直分辨率在0 0 1n m 量级。扫描隧道显微镜的局限性在 于：被测件必须导电，垂直和水平测量范围小( 约l ，册) ，必须在真空中进行测量。此 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一 外，若表面形貌的波长或峰、谷差太小，在复制表面对，高分子膜难以渗入，不能正确 反映表面真实形貌。 f 光子隧道显微镜：当光以大于等于临界角入射到全反射表面上时，若该全反射表 面下紧靠着一样品，则光子会穿越全反射表面和样品之间的亚微米量级的间隙。通过光 子隧道效应的大小可以测量表面的微观形貌其垂直分辨率小于1n m ，水平分辨率为 0 2 掣m 。但在测量中，样品离全反射瓯非常近，扫描时的导轨误差将影响测量结果“”“。 g 原子力显微镜( a f m ) ：1 9 8 6 年首次由b n n i n g 等人提出的在柔性悬臂梁上利用 一根很细的碳化硅探针( 直径为1 0 5 0 聊z ) 接近被测表面。当被测表面作横向扫描时， 表面高低起伏变化改变了表面和探针的间距，从而改变了两者间的原子力，通过纵向移 动针尖或样品，保持恒定的原子力( 1 n n 左右) 来测量表面轮廓，其纵向分辨率为0 1 i q m ， 横向分辨率为1 0 n m 。故它能分辨被测表面具有亚微米量级横向尺度的峰和谷“”。 对于所有基于光学方法( 包括光学探针法、干涉显微法等) 的形貌测量仪，出于存在 衍射受限和系统的横向分辨率由物镜的数值孔径决定，所以一般在微米量级，这也就决 定了它们不能分辨微米以下更细微的形貌。虽然有些光学形貌测量仪能达到很高的纵向 分辨率，但受横向分辨率的限制，其评定出的表面参数常常和其他类型仪器的测量结果 有一定的差别。同时，光学测量方法对被测表面的清洁度要求较高，灰尘对其测量结果 影响较大；相对而言，触针式轮廓仪可以在测量时划去灰尘，不受其影响。此外，光探 针方法在测量含有较大倾斜角的轮廓表面时，会出现部分光不能反射回物镜的情况，造 成测量误差；在测量台阶边缘时，光探针法会夸大测量结果，造成信号严重失真。对于 干涉显微法，在表面形貌上陡峭的斜坡产生的干涉条纹很细很密，以至于用面阵c c d 难 以探测和分辨，另外，基于光学干涉方法的仪器一般要求被测表面的材料必须相同。相 比而言，原子力显微镜不划伤被测表面，同时具有很高的纵向和横向分辨率。它的缺点 在于易受灰尘干扰。在测量大斜率及台阶表面时，测量误差很大测量结果的数显、记录 及计算机处理都比较困难：同时其测量范围狭窄，而且涉及的技术难题多，操作复杂， 操作环境要求高，价格昂贵等问题，应用受到很大限制“川”“2 = ”。 课题主要研究的测量对象为线深约为几十1 m 甚至几百t t m 、线宽约为0 2 m m 的硅 片刻线。机械探针式测量方法是开发较早、研究最充分的种表面轮廓测量方法。它利 用机械探针直接接触被测表面，当探针沿被测表面移动时，被测表面的微观凹凸不平使 探针上下移动，其移动量由与探针组合在一起的位移传感器测量，所测数据经过处理就 可得到被测表面的结构。测量简单、操作灵活，获得信息全面、可靠、测量动态范围大 并可方便地利用计算机进行处理。接触式测量一般纵向分辨率能够达到稳定的0 1p m ， 横向分辨率根据所选触针半径的大小有所不同，一般在z 删级别，采用接触式测量能够 满足要求。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 3 台阶测量仪研究现状分析 目前台阶仪一般分为两大类：( 一) 接触式台阶仪。其中的典型代表有，美国k l a t e n c o r 公司的a l p h a s t e p i q 系列，英国r a y l o rh o b s o n 公司的t a l y s u r f 轮廓仪系列， 后者在国内被很多厂家和研究单位所采用。国内厂家有上海量具刃具厂生产的删d 1 0 0 轮廓仪，哈尔滨量具刃具厂的2 2 0 5 型表面轮廓仪等。( 二) 非接触台阶仪。如z y g o 公司， n e wv i e w5 0 0 03 - - ds u r f a c ep r o f il e r s 。本课题台阶仪是基于接触式测量原理研制而 成，这里主要介绍接触式台阶测量仪。 1 3 1 国外接触式台阶仪最新动态 美国k l a - - t e n c o r 公司的a 仪l p h a s t e p i q 系列智能台阶仪，a l p h a t e p 5 0 0 是该公 司最新发布的表面形状测量仪，是一套多功能高精密表面形状测量设备。它具有极好的 重复测量精度和卓越的数据分析和处理性能。可用来精确测量试件的表面质量和沟槽形 状。试件y 方向最大行程8 0 m m ，x ：y 向l5 0 m m ，y 方向量程及分辨率：6 5 柳l a 、 3 0 0 o n 2 5 a ，触针压力在1 一1 0 0 m g 范围内可调；精确的表面特征测量精度达到l a 二维 表面测试时可重复精度为1 0 a 1 3 m ，约0 1 “。英国t a y l o rh o b s o n 公司的最新产品 f o r mt a l y s u r fp o i1 2 4 0 型非球面测量系统，量程1 2 ，5 m m ，精确度0 8 n m ，2 0 0 m m 的 行程上直线度为0 1 z m ，x 方向上水平采数间隔为0 1 2 5 z m “。 图1 3a l p h a s t e p 5 0 0 表面测量仪图1 4f o r mt a l y s u r fp g i1 2 4 0 n 9 量系统 1 3 1 国内接触式台阶仪最新动态 上海量具刃具厂生产的b d l 0 0 型轮廓测量仪，如图1 5 所示。传感器原理：触针式， 差动电感。传感器触针半径：2 5 p m ，传感器触针测力： ，( 形 6 ) ，可忽略有限长线圈内磁场强度的不均匀性，近似认为在x = 委 时的磁场强度为： h ：婴 ( 2 4 ) 2 f 线圈电感为： l = u ，r d v v 若引进铁芯长为z 。，则线圈的电感为： 三= 风州2 【扫2 + ( 以叫饥2 】么 当铁芯长度增加a i 。时，则电感变化量为： ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 故电感的相对变化量为 = 。z n 2 2 ( ，一1 ) 乏乒 三t 1 t 2 丁两瓦而可厕 2 。1 2 2 差动式静结构及工作原理 对于差动式螺管型传感器的结构如图2 6 。 图2 6 差动式传感器结构 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 若f ：= o 则其沿轴向的磁场强度为： 耻等t 君务+ 南一考萧， 眨 用曲线表示如下： l、z ， 0 6 二 0 2一 o 4 0 , 8 i7lll、 图2 7 差动式线圈磁场强度与位移 由曲线表明：当铁芯的长度取为o 6 f 时，则铁芯工作在h 曲线的拐弯处，此时沿轴 向的磁场强度变化小，认为磁场均匀。若铁芯向其中一个线圈移动f 。时，则该线圈的 电感增加a l 。，而另一个线圈的电感减少：，则越和址：大小相等，符号相反，其值 为： 国防科学技术大学研究生院学位论文 = o 州2 ，c 2 ( ，一1 ) a 。2 ( 2 1 0 ) 所以传感器的差动输出为： 等=半=2等，上1+(1tox,yifb,-1) ( 21 1 ) f 。 由上式表明： 差动式比单线圈式其灵敏度提高了一倍； 要提高灵敏度，应使线圈与铁芯尺寸比值必和形尽量的小，但另一方面必趋向 于1 时，由图2 7 可知，传感器的非线性误差会增加： 选用铁芯的导磁率，大的材料也可以提高灵敏度； 竽与_ a l c 成j 下比。若被测量与，。成正比，则虬与被测量也成正比。但实际上，由 于磁场强度分布的不均匀性，输入量与输出量之间的关系不会是严格意义上线性的。 经上所述采用差动式结构电感测头，除了可以改善非线性、提高灵敏度之外，对电 源电压、频率波动以及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而可以提高测量精度。 2 2 电感测头理论设计 2 2 1 电感测头方案选择 测头是台阶测量系统的关键部件，它直接与工件被测表面相接触将被测工件表面 的微小变化转化成测头感知量的变化，其本身的精度严重影响测量系统的精度。现有测 头结构形式多种多样，一般有竖直和水平两种布局，但大多存在两个问题，其一就是测 量某些零件，特别是一些软质材料，易划伤工件表面；另外很多测头采用顶尖或刀口支 l ，被澍工僻表面2 触针3 测杆4 压簧 5 片簧6 平衡块7 磁芯 图2 8 测头结构示意图图2 9 变截面薄片簧结构示意图 第1 1 页 ： m ，南，焉 l ， 国防科学技术大学研究生院学位论文 撑时，长期使用转动副磨损较大，改变了测头机构的相对位置，增大了摩擦，严重影响 测头移动位置精度o “。为此我们设计了一种测头，如图2 8 ，它由变截面薄片簧实现转 动，该片簧类似于柔性铰链，如图2 9 所示，以片簧中心最薄弱截面处为回转中心，测 杆绕其转动，不会引入摩擦；同时由于片簧自身有一定的转角刚度，由它提供主要测力 源，经测试最大不超过0 5 m n ，保证了测量过程中测量力很小，不损坏被测工件的表面 质量；采用现有的中原量仪厂的轴向小型磁芯型电感传感器d g c _ 8 z g a 中的线圈，进 行了改装，保证了测量精度。 2 2 2 电感测头测杆机构设计 如图2 9 所示，测杆机构主要包括压簧片簧，测杆组成。压簧保证测头触针与被 测表面始终接触；片簧则为测杆机构提供转动副，测杆作为机构主体连接各个部件共同 组成测杆机构“州“3 。 材料选择。测杆选用铝合金，减轻测杆质量和转动惯量：片簧选用n i 4 2 c r t i 不锈 钢，它具有良好的机械性能，加工性能好，同时耐腐蚀，恒压性2 。测杆机构中各零件 材料属性见表2 1 。 表2 1 测杆材料属性表 零件名称材料密度 剪切模量 压性模量e ( g m m 3 )g ( g p a )( 6 p a ) 测杆铝台金2 7 l2 6 5 27 0 触针杆不锈钢 7 8 57 92 l o 压簧 镀青铜 8 74 2 21 2 9 5 片簧 n i 4 2 c r t i8 76 571 8 6 质量块黄铜 8 6 2 3 6 39 7 磁芯铁镍合金 8 8 06 8 11 8 0 2 2 2 2 1 片簧设计 由于片簧结构类似于柔性铰链，采用柔性铰链的设计原则与方法。5 1 。片簧受力如图 2 9 所示，片簧一端面a b c 固定，作用一绕z 轴的弯距m 时，片簧任一截面绕z 轴的转 角变形： 如= 罢= 警 仫 d ) ： e | 则端面d e f 绕z 轴的转角变形为； 口：= e - 哿口c 2 t s ， 国防科学技术大学研究生院学位论文 那么片簧的转角刚度： 铲等圳_ 酱目 式中m z 为片簧所受绕z 轴的转距： m z = f i l k ，1 3 z 口： ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 其中k ，f 3 2 口； l 时，为非线性拟合； 拟台函数的选取和拟合次数的选取直接影响测量的非线性误差，并不是拟合的次数越高 标定精度越高，应根据具体的传感器特性决定。 标定时，将德国h e i d e n h a i n ( 海德汉) 公司生产的m t 2 5 光栅长度计和中原量仪生产 的b c t - s c 型微动台架以及我们自研的电感传感器组成标定系统，如图3 1 2 。 标定时，将光栅长度计测头和电感测头同安装在微动台架的斜面上。输入位移以 光栅长度计读数为基准，该长度计具有2 5 删”的量程，测量准确度为lu r n ，分辨率为 0 1 御。微进给通过中原量仪生产的b c t 一5 c 型微动台架实现，该台架采用螺旋与斜面相结 合方法，可以实现0 2 # m 的准确进给。微动台架微步运动的同时，记录光栅长度计和被标定 的电感测微仪输出读数，实验数据记录图表3 ，2 所示。此时选用的是中间档量程，电感 测头的采样数值均是原始l s b 值，光栅传感器读数单位是j 嬲。 第2 6 页 矗昔 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 1 2 标定装置 表3 2 测头原始采样数据表 光栅传感器读数 9 51 1 21 3 01 4 51 5 8 1 7 41 9 22 07 电感测头采样数值 4 81 5 02 6 63 7 24 7 05 5 56 4 87 4 3 光栅传感器读数 2 252 3 72 5l 2 7 12 8 83 0 23 1 73 3 3 电感测头采样数值 8 6 79 6 91 0 5 61 1 5 i1 2 5 91 3 5 61 4 5 81 5 7 2 光栅传感器读数 3 4 73 6 63 8 2 3 9 64 1 94 3 44 4 74 6 6 电感测头采样数值 1 6 6 81 7 7 01 8 5 71 9 5 92 0 9 42 1 9 82 2 9 72 4 1 0 光栅传感器读数 4 8 54 9 75 1 45 3 15 4 75 6 25 8 25 96 电感测头采样数值 2 5 1 42 6 1 82 7 1 22 8 2 82 9 3 43 0 3 l3 1 6 23 2 3 4 光栅传感器读数 6 1 o6 276 4 36 606 7 66 9 27 0 37 2 o 电感测头采样数值3 3 3 l3 4 3 8 3 5 6 73 6 6 2 3 7 4 6 3 8 4 33 9 4 04 0 6 0 电感_ _ 甚竹标建州试曲蛙囝 七毒仲巷嚣时输入 乜臣( r t ) 图3 1 3 电感传感器输入输出特性曲线图 第2 7 页 ：墅些堂堕垡堡篁些堡塑二一 图3 1 4电感传感器输入输出特性局部放大曲线图 表3 3 测头标定前后数据对照表 电感测头标定前值 4 81 5 02 6 63 7 2 4 7 0 5 5 5 6 4 8 7 4 3 电感测头标定厉值一3 1 1 52 9 5 5 2 7 7 4 - 2 6 。0 82 4 5 4- 2 3 2 l 一2 1 7 6 2 0 2 7 电感测头标定前值 8 6 79 6 91 0 5 61 1 5 l1 2 5 91 3 5 61 4 5 81 5 7 2 电感测头标定扁值 一1 83 31 6 7 41 53 8一1 3 8 91 2 2 0一】0 6 99 0 97 3 1 电感测头标定前值1 6 6 8 1 7 7 0 1 8 5 71 9 5 9 2 0 9 42 1 9 82 2 9 72 4 1 0 电感测头标定后值 一5 8 14 2 12 8 51 2 5o 8 62 4 94 0 35 8 0 电感测头标定前值 2 5 i 42 6 1 82 7 1 22 8 2 82 9 3 43 0 3 i3 1 6 23 2 3 4 电感测头标定后值 7 4 390 61 0 5 3 1 2 3 4 1 40 01 5 5 21 7 5 61 8 6 9 电感测头标定前值3 3 3 i3 4 3 83 5 6 73 6 6 23 7 4 63 8 4 33 9 4 04 0 6 0 电感测头标定后值 2 0 2 12 1 8 82 3 9 02 5 3 92 6 7 02 82 22 97 33 1 6 l 可见传感器在整个量程范围内的线性度是比较好的，由此，我们选用了线性拟合的 方式。但由于电感传感器以及电路的非线性，采样数据( 电压量) 与位移量之间是呈非 线性关系的，因此总会有非线性系统误差的存在。由此得到最小二乘拟合曲线，由实测 数据得到的曲线如图3 1 3 ，为了便于观察，将其局部放大如图3 1 4 。 得到最d - - 乘拟合直线：y = o 0 0 6 4 1 x + o 1 3 9 3 4 。将标定后电感传感器的位移输出 第2 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 记录如表3 3 ，标定前值单位是原始l s b ，标定后值单位是u r n 。 3 6 本章小结 本章通过对电感测微仪的一系列静态实验。我们对所研制的电感测微仪的静态性能进行 了一定的评价。从实验结果来看，我们所研制的这种电感测微仪最大量程档范围比较大，为 _ 1 9 3 m ，稳定性为0 0 8 , u r n l 6 0 r a i n ，灵敏度为1 4 2 8 m v l l z m ，最高分辨率约为0 0 0 5 , u r n ， 重复精度为0 1 2 f s ，线性度为0 1 6 f s ，通过具体的测量实例表明，该传感器能较好地 应用于超精密测量中。 第2 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第四章微机电台阶仪系统设计 4 1 微机电台阶仪测量原理及分类 目前台阶测量方法有两种，分为非接触式和接触式。两者各有优缺点，前者这种 测量方法测量过程中不与被测表面接触，因而不会对被测表面的形貌产生影响，不足的 是对被测工件形状、表面光学性质等有种种限制，如由于受衍射限制，使其横向分辨率 很难提高，在测量大斜率及台阶表面时，测量误差很大测量结果的数显、记录及计算机 处理都比较困难；同时其测量范围狭窄，而且涉及的技术难题多，操作复杂，操作环境 要求高，价格昂贵等问题，应用受到很大限制。后者的优点在于简单、灵活，获得信息 全面，可靠，有测量动态范围大等优点并可方便地利用计算机进行处理”“。 本文台阶测量仪是基于接触式测量方法研制而成。台阶测量系统一般包括精密测 头，运动平台，信号处理电路，a d 采集卡，微型计算机等组成。其测量原理如图4 1 所示为当触针沿被测表面轻轻滑过时，磁芯随着触针在被测表面滑行的同时作相应上下 运动，从而将被测表面的台阶高度转化为与之成正比的电压信号，经信号调理电路放大、 解调、滤波后，送计算机进行数据分析和处理，得到被测表面的轮廓及各种参数。 图4 1 台阶仪系统组成简图 第3 0 页 里堕墅堂垫娄查兰坚室竺堕! 丝篁奎： 4 2 微机电台阶仪系统平台搭建 本文所述微机电台阶仪由硬件和控制软件共同组成。硬件主要是由铡头，运动平台， 驱动装置，信号处理电路和a d 采集卡，c c d 摄像头等组成。为保证台阶仪测量系统的 测量精度，必须对各个组成部分精心选择既能满足测量精度要求，又合理利用资源。 结合测量的要求和硬件设施编制并改进了控制软件。 4 2 1 测头选择 测头是采用自行研制的电感测头，泼测头采用了薄片簧该作为回转运动关键部件， 消除了摩擦，提高了系统分辨率。测头最高分辨率可达o 0 0 5 删，测景力最大约为 0 5 m n 。 4 2 2 运动平台和驱动装置 测量过程要求测量系统运动平台运动精确，甲稳，对触针无冲击。现有台阶检测仪 器一般采用高精度平晶，但是价格高。而采用精密丝杠导轨在小范围内有较高精度，丽 台阶的测量范田一般比较小，可以满足要求。运动平台由水平运动和竖矗运动平台共同 组成。运动平台实物图如图42 所示。水平运动平台是系统工作平台，被测件置于其上， 为被测件提供精确直线运动。竖直运动平台与测头相连接使测头能方便进行竖直运动， 有利于调整测头测试不同厚度工件表面。平台选用步进电机精密平移台，该平台采用滚 珠钢丝无间隙导轨提供直线移动，采用丝杠驱动，系统分辨率为l p m ，单向行程2 5 m 。 图42 台阶仪运动平台实物瑚 驱动方式采用步进电机进行驱动，控制简单。同时采用深圳雷赛机电技术开发有限 公司出产的m 4 2 0 细分驱动器对步进电机进行控制。该驰动器采用了新型_ 双极性恒流斩 第3 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 波驱动技术，使用同样的电机时可以比其他驱动方式输出更大的速度和功率。运用其细 分功能使步进电机运转更平稳，精度提高，振动减小噪声降低。步进电机步距角为 o = 1 8 度，其驱动控制器带有细分功能，可对步距进一步细分，最大可进行1 2 8 细分， 也就是说电机转一圈最多分为”= 3 6 0 x 1 2 8 18 = 2 5 8 0 0 步5 ”。电机驱动一圈时丝杠运动 一个螺距，其螺距为p = 5 0 0 胛，则理论上驱动器发送单步脉冲时导轨平台的位移量是 s = p ”= o 0 1 9 5 3 1 2 5 “wz 0 0 2 朋，考虑到步进电机驱动时可能出现的丢步现象，以 及运动平台自身存在的爬行和反响间隙等问题，运动平台能实现l ，m 的稳定分辨率， 这完全符合测量时采样间隔的要求。步进电机与运动平台的丝杠相连，驱动器通过控制 步进电机带动平台进行水平或竖直运动。 4 2 3 信号处理电路 信号处理电路如图4 3 所示，信号发生器产生频率稳定的正弦波信号，经过可调运 放单元放大，作为激励电源提供给变压器电桥。当测头检测工件使测杆产生微位移时， 信号经分档、交流放大后输入给变压器电桥，电桥平衡改变，输出含有被检测工件位移 信恳的正弦调幅波，再经相敏整流，带通放大后。输出信号给a d 采集卡。 嘲43 信号处理电路筒圈 4 ，2 4a 3 采集卡选择 台阶仪测量被测表面台阶时纵向分辨率要求达到00 】删。那么剥于a o 采集卡 选择就又一定钓要求，台阶测量仪最小量程约为3 5 朋，假设a d 采集卡的转换器位 数为n ，则3 ，5 2 ，2 ”s 0 o l 胛。计算所得只要n 1 0 即能满足测量要求。本台阶仪采 用的是北京阿尔泰科贸有限公司生产的p c i 2 3 0 0 数据采集卡。p c t 2 3 ( ( 卡是一种基于p c i 总线的数据采集卡可直接插在i b m p c a t 或与之兼容的计算机内的任一p c i 插槽中， 板上装有1 2b i t 分辨率的a d 转换器，为用户提供了1 6 双3 2 单的模拟输入通道。输 入信号仪表放大器a d 6 2 0 调整到合适的范围，保证最佳转换精度。a d 转换器输入信号 范围5 v 、1 0 v 、0 1 0 v 。1 0 0 k h z 的a d 转换器分辨率：1 2 b i t ( 4 0 9 6 ) ，非线性误差： 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 l s b ( 最大) ，换时间：l o u s ，能够满足测量系统实时测量的要求。系统测量精度：0 1 。 相对与台阶仪精度要求可忽略不计。3 2 通道单端模拟输入或1 6 路双端模拟输入，1 6 路 开关量输入，1 6 路开关量输出，可以异步同时给多个电机驱动控制器发送控制信号，便 于实现多个电机的控制。a d 采集卡与细分驱动器相连，负责将控制信号传输给驱动器 实现对步进电机的控制；同时与信号处理电路连接，将处理电路传过来的模拟电压信号 转换成微机能够处理的数字信号。 4 2 5c c d 摄像头选择 c c d 摄像头采用台湾敏通公司生产的m s - 3 6 8 n ，在其前面安装一放大倍数x 的物镜， 并在p c 机上插入一块视频采集卡，视频采集卡选用图码公司推出的s d k - - 2 0 0 0 型采集 卡。将他们结合起来能够进行4 0 倍的放大，可以比较清晰的实时显示系统测量过程中 测头的运动情况和工件表面状况。 4 ，2 6 控制方案的选择 以微型计算机作为控制主机的计算机控制系统，即微机控制系统，是控制系统的主 流1 。常用微机控制系统的类型以及基本应用特点论述如下： a 单片机微机系统 单片机控制系统结构简单，价格低廉。但因其硬件配置不规范，通常需要自行搭配 系统和扩展接口，软件的编写大多数限制于