（测试计量技术及仪器专业论文）mems压阻式微接触测头测试校准系统的研究.pdf

摘要 近年来，随着微米纳米加工技术的迅速发展，对加工过程中几何量的检测 手段提出了更高的要求。传统坐标测量机测量不确定度在微米级，已经不能满足 上述需求。因此，具备纳米级分辨力，可用于微小尺寸、位置和其它形貌测量的 纳米坐标测量机将是未来微纳测量领域不可或缺的工具。纳米坐标测量机主要 由定位平台和测头两部分组成，平台用来实现大范围、高精度的移动和定位，测 头用来感受被测信号并对其进行转换和测量。 本文针对课题组自行设计开发的m e m s 压阻式测头，利用一种新型的纳米 测量和定位机( n m m ) 平台对测头实际性能参数进行测试和标定。根据测头信 号检测的要求，设计了信号调理和采集电路，开发了测试校准软件，提高了系统 性能和效率。对装配完成的测头进行标定实验，结果表明测头工作特性良好，测 试校准系统达到了预期要求。 本文主要完成的工作： ( 1 ) 通过仿真和对比确立了测头采用的m e m s 传感器结构。依据压阻设计和 检测原理，设计了传感器上压阻的排布位置和连接方式。对设计、加工 完成的m e m s 传感器进行封装、中心定位和测杆粘贴，装配完成压阻式 测头。 ( 2 ) 提出针对该压阻式测头的测试校准方案。方案以n m m 为定位平台，还 包括测头模块、信号检测及采集电路、c c d 监视单元，测量校准软件等。 ( 3 ) 设计和调试了以单片机为核心的测头信号自动采集电路，主要包括信号 调理、a d 转换、数据存储、液晶显示和传输几部分。 ( 4 ) 针对测试校准系统的软件需求，开发了n m m 操作程序、单片机控制程 序和l a b w i n d o w s 上位机程序。 ( 5 ) 利用搭建完成的系统对测头进行实验。通过实验标定了测头的灵敏度、 工作范围和非线性误差；测量了三方向输出耦合；发现了测头设计和加 工中尚存在的一些问题并提出了具体的改进方法和措施。 关键词：微纳米测量坐标测量机微机电系统传感器压阻效应接触式 测头校准 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o n a n om a c h i n i n gt e c h n o l o g y , i tc o m e sh i g h e rr e q u i r e m e n t st om e a s u r i n gi n s t r u m e n t si nm a c h i n i n gp r o c e s s t h eo l d c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ( c m m ) o n l yh a v eu n c e r t a i n t i e sa r o u n dm i c r o m e t e r s ， w h i c hc a n n o tf i tt h er e q u i r e m e n t sm e n t i o n e da b o v e t h e r e f o r e ，n e wn a n o c m mt h a t h a sn a n o m e t e rr e s o l u t i o na n di sa b l et ou s ef o rm e a s u r i n gt i n yd i m e n s i o n s ，p o s i t i o n s a n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c ea p p e a r a n c e ，i san e c e s s a r yt o o li nm i c r o n a n o m e a s u r i n gf i e l di nt h ef u t u r e an a n o - c m mi sm a i n l yc o m p o s e do fp l a t f o r ma n d p r o b e t h ep l a t f o r mr e a l i z e sd i s p l a c e m e n ta n dp o s i t i o n i n g 、i 1w i d er a n g ea n dh i g h p r e c i s i o n t h ep r o b er e c e i v e st e s t e ds i g n a l sa n dt h e nt r a n s f o r m st h e m t oam e m sp i e z o r e s i s t i v ep r o b ew h i c hd e s i g n e db yt h i sp r o j e c tg r o u p ，an e w n a n op o s i t i o n i n ga n dn a n om e a s u r i n gm a c h i n e ( n m m ) s y s t e mw a su s e dt ot e s ta n d c a l i b r a t et h ep r a c t i c a lp e r f o r m a n c eo fi ti nt h i sp a p e r b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so f s i g n a lt e s t i n g ，ad a t ac o l l e c t i o n c i r c u i ta n ds o f t w a r eo ft e s t i n g & c a l i b r a t i o nw e r e d e s i g n e d ，w h i c hi m p r o v e di np e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c yo ft h es y s t e m p u tt h e f i n i s h e ds y s t e mi nt e s t i n g & c a l i b r a t i n ge x p e r i m e n t s ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ep a r t so f t h es y s t e ma l lr u ns m o o t h l ya n ds a t i s f i e dt e s t i n gr e s u l t sw e r ea c h i e v e d t h em a i na c h i e v e m e n t so f t h i sp a p e ri n c l u d e ： ( 1 ) w i t ht h em e t h o do fe m u l a t i o na n dc o m p a r i s o n ，e s t a b l i s h e dt h es t r u c t u r a l f e a t u r e so fm e m ss e n s o ru s e do np r o b e a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f p i e z o r e s i s t i v ee f f e c t , d e s i g n e dt h el a y - o u ta n dc o n n e c t i o no fp i e z o r e s i s t a n c e s t ot h es e n s o rw h i c hh a db e e nm a n u f a c t u r e d ，d i d p a c k a g i n g ，c e n t e r p o s i t i o n i n ga n dt h ep a s t eo fp r o b es t i c k a s s e m b l e dt h ep i e z o r e s i s t i v ep r o b e ( 2 ) s u g g e s t e dt h es y s t e mp l a nf o rc a l i b r a t i n gp r o b e u s i n gt h en m m w i t hh i g h r e s o l u t i o na sp o s i t i o n i n gp l a t f o r m ，t h es y s t e ms t i l li n c l u d e dp r o b em o d u l e , d a t ac o l l e c t i o nc i r c u i t ，c c dm o n i t o ra n dt e s t i n g & c a l i b r a t i o ns o f t w a r e ，e t c ( 3 ) d e s i g n e da n dd e b u g g e dt h ea u t o m a t i cd a t ac o l l e c t i o nc i r c u i tt op r o b es i g n a l s ， w h i c hc o r ew a ss i n g l e - c h i pc o m p u t e r i tm a i n l yi n c l u d e dd a t aa d j u s t i n g ，a d t r a n s f o r m i n g ，d a t as a v i n g ，l c dd i s p l a y i n ga n d b l o c ko fd a t at r a n s f e r r i n g ( 4 ) f o rt h er e q u i r e m e n t so fc a l i b r a t i o ns o f f w a r e s ，d e s i g n e dn m mo p e r a t i n ga n d l a b w i n d o w sh i g h - p o s i t i o nc o m p u t e rp r o g r a m s p r o g r a m e do ns i n g l e c h i p c o m p u t e r ( 5 ) p u tt h ef i n i s h e ds y s t e mi nt e s t i n g & c a l i b r a t i n ge x p e r i m e n t s c a l i b r a t e dt h e s e n s i t i v i t y , o p e r a t i n gr a n g ea n dn o n l i n e a re r r o ro ft h ep r o b e t e s t e dt h e 3 - d i r e c t i o no u t p u tc o u p l i n g ，n o t i c e ds o m ep r o b l e m so fp r o b ed e s i g na n d s u g g e s t e ds p e c i f i ci m p r o v e m e n tm e n u sf o rt h es y s t e m k e yw o r d s ：m i c r o n a n om e a s u r e m e n t ，c o o r d i n a t em e a s u r i n 争m a c h i n e ，m e m s ， s e n s o r , p i e z o r e s i s t i v ee f f e c t , c o n t a c tp r o b e ，c a l i b r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名：多冰谔 签字日期：力矽7年力月j 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕壅盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 起料 签字日期：加夕年月厂日 导师签名： 签字同期：舛1 月r 日 第一章绪论 第一章绪论 微纳米技术和微系统技术的产生和发展对测量技术提出了新的挑战。微 纳米测量技术采用的方法和仪器具有自身的特点。本章从微纳米测量技术的研 究内容和研究意义出发，着重分析几种可应用于纳米测量机的测头结构和工作原 理，并列举两种最新的压阻式测头及其测试校准系统。在此基础上，针对纳米坐 标测量机测头和测试校准系统开发需求，提出本课研究的意义和主要工作内容。 1 1 微纳米坐标测量技术 微纳米技术是2 l 世纪最重要的科学技术之一，它将在新世纪引起一场新的 工业革命。而微纳米测量技术是微纳米技术的重要组成部分，它在微纳米科 技中起着信息采集和分析的不可替代的作用，对于微纳米材料的发展、微纳米 器件和系统的研究与开发都具有十分重要的意义1 1 1 。 由于微纳米技术研究微观尺度的物体和现象，因此微纳米测量技术也主要 指微米和纳米尺度和精度的测量技术。基本上来讲，微纳米测量技术的研究内 容包括测量原理和测量仪器两分。而微纳米测量需解决的关键问题主要有以下 几个方面：1 ) 新型测量原理、测量方法的研究；2 ) 新型测量系统的开发、设计与 制造；3 ) 测头和探针的标定技术；4 ) 纳米测量系统中非线性补偿技术；5 ) 纳米级 或亚纳米级探针的制造技术掣2 1 。 目前迅速发展的微器件的几何特征尺寸，多集中于介观范围( 数毫米至数微 米) ，精度参数多为微米纳米数量级( 数微米至1 0 n m ) ，如微齿轮、微透镜、光开 关等。对于这些微小的测量对象，现有工业级的三坐标测量机主要存在以下几个 缺点：1 ) 体积过大；2 ) 仅有微米级测量精度：3 ) 测量范围过大难以实现纳米级的 分辨率；4 ) 探头直径过大；5 ) 测量力过大等【3 】。因此，近年来精度达纳米级且体 积微型化的三维测量设备的研制受到世界各国的重视，如美国n i s t 的分子测量 机( m m m ) 一1 、日本东京大学的n a n o - - c m m l 5 1 和台湾大学精密测量实验室的纳米 三坐标测最机【6 】等。随着科学技术的飞速发展，特别是微纳米测量技术的发展， 对纳米坐标测量机不断提出新的、更高的要求，其中最重要的问题就是提高纳米 坐标测量机的测量精度和测量范围1 7 j 。 从文献调研来看，一个完整的纳米坐标测量机系统需包括经过标定的测头和 第章绪论 坐标定位平台两部分。对丁纳米坐标测量机系统的研究和开发工作也主要从这两 个疗面展开，面，需要设计和开发具备商精度、高灵敏度的小掣测头发其测 试和校准系统：* 一方面需要研究新型的、l 蔷大范嘲和自动数据采集、记录 功能的纳米级移动平行“。本文就是以种新h 的纳米测量机为平台针对本 课题组自行仿真鞋计的m e m s 压阻式测头，正点研究关于该测头的测试和校准 的方浊与系统，井对测头进行装配和参数标定。为此本文对几种典型的纳米测 越机测头的结构和工作原理以及压阻式测头的测试校准冉法进行了调研、总结。 2 纳米测量机测头概述 纳米测量机的主要任务是对被测样品进彳j ：精确分析，为了达到这个日的，测 头利化感器系统必不可少。根锯不同的测量要求和被测物性质，纳米坐标测量机 需要和小同的测头缩合起来完成小同的测量任务。ll 前，典型的测头年要有原子 力测头，光学式测头微触觉式测头等，它们的具体结构和工作原理介绍! i lf 。 一、原子力显微镜( 删) 测头 a f m 是在s t m 的基础上发展起米的a f m 与s t m 的二 要差别是以一个一 端l 刮定，衙另端装在弹性微悬臂粱i 的尖锐探针代替隧道探针( 见 望| 卜i ) ：以 探测微悬臂粱受力产生的微小变形代替探测微小的隧道电流m 】。 阿l - 1a f m 悬臂粱( 米源n a n o s e n s o r s t 针尖存悬臂粱方向的角度大约是5 0 。- 6 0 0 ，横向角度人约是4 0 。一5 0 。r 以 获得半径小于1 0 r i m 的针尖。针尖高度在1 0 p m l5 p m 。悬臂梁的形状和尺寸取 决于操作模式。对接触摸式来说，典型尺0 世：长4 5 0 p r a ，宽5 0 9 r n ，厚2 1 u n 。 除此之外，可以在背面应用层反射表面实现光学位移测量。 a f m 探针的测量原理是：当针尖非常接近样品表面时就在针尖和样品之 第一章绪论 间产生相互作用力，通过检测在该力作用下微悬臂梁产生的弹性形变量( a z ) ， 就可以根据微悬臂粱的弹性系数k 和等式f = 七z 直接求出作用力f 。作用力与 针尖一样品间距的关系如图l - 2 所示。接触模式对应的针尖样品间距在小于零 点几个纳米的斥力区域，对应图1 2 中的a b 段。在接触摸式下，针尖不断与样 品表面进行物理接触，样品表面的起伏引起作用力的改变，检测微悬臂梁背面反 射的激光光点位置的变化，反馈回路根据检测信号与预置值的差值，不断调整针 尖和样品的距离，保持两者之间的作用力不变，就可以得到样品表面形貌图像。 非接触模式对应的针尖一样品间距在几到几十纳米的吸引力区域，对应图1 2 种 的c d 段。该范围的特点是力梯度为正，其大小随着针尖和样品距离减小而增大。 通常，悬臂的共振频率与弹性系数和质量有关系式国= ( k e r r 朋尸2 ，式中有效弹性 系数七。矿= k 一厂，而k 是自由空间的弹性系数，厂，是力梯度。当以共振频率驱 动的微悬臂接近样品表面时，由于受到逐渐增大的力梯度的作用，使得微悬臂的 有效共振频率减小。在频谱上，对应着共振曲线的左移，因此在给定共振频率处， 微悬臂的振幅将减小很多。非接触式a f m 的工作原理就是，以略大于微悬臂自 由共振频率的频率驱动微悬臂，当针尖接近样品表面时，微悬臂的振幅显著减小。 振幅的变化量对应着作用在微悬臂上的力梯度，因此对应于针尖一样品间距。反 馈系统通过调整针尖一样品间距使得微悬臂的振动幅度在扫描过程中保持不变， 就可以得到样品的表面形貌像l l 训。 力 f 励 一气引力( 针尖一样品间j 图卜2 作用力与针尖一样品间距的关系 ) 将a f m 探针装配在纳米测量机上时，敏感单元是在压电晶体的驱动下在被 测物体表面运动( 图1 3 ) ，通过利用压电晶体的控制电压设定接触探针的位置。 由于温度和调节机械装置的压电特性影响，位置值会有相对较大的偏差。为了减 小这些偏差的影响，在纳米测量机系统中测头只是作为零点传感器，并且接触点 是稳定的。唯一需要设置的是一个传感元件和一个位移测量系统。除此之外，这 种装配结构还允许装备振荡器进行动态扫描测试i l5 1 。 罔1 - 3u l u a o b j e c t i v e a f m 探头装配于纳米测量机 二、光学式铡头 随着激光检测技术和c c d 视频应用技术的发展，以光学检测手段为基础的 测头得到了广泛的应用。光学测量手段包括计算机视觉技术、显微干涉技术、聚 焦式测量技术等。通常，可以采用计算机视觉技术测量器件的平面运动特征 采用显微干涉投术测量器件的离面运动特征【i q 。目前，国外对光学式纳米测量机 测头的研究成果包括聚焦式测头f 1 7 1 、基于光学传感器的纳米探针引、激光捕获 和m i r a u 十涉仪探针系统【l ”等。下面以聚焦式测头为例，介绍其结构和工作原理。 囤l - 4 聚焦式测头原理图 聚焦法源于c d 技术，它采用自动调焦的激光束对c d 盘上所压制的数字音 乐信号进行非接触式扫描1 “聚焦式测头的原理如图l _ 4 所示。从檄光二级管发 出的光线被栅格极化，通过偏振分光器和1 4 ) , 波片后，被聚焦在物体上光点 直径约为i o m ，距离传感器约为2 m m 。在激光头的最初结构中。物镜由一个音蹦 马达驱动。反射光的信号成像在光电检测器上，其输出提供了一个离焦信号，在 第一章绪论 这里离焦信号被定义为在不同方向聚焦n 面的内部和外部出现椭圆形时的位置 信号，这个信号经过运算放大和补偿处理，可反馈推动旨圈马达，将物镜推到被 测物体可以在聚焦平面上的位置达到锁焦的i j 的。不难看出离焦信号用来控 制可变镜头的位置使光线的焦点和被测物体表面保持一致。固为图中这个测头只 对聚焦范围内的信号感兴趣因此音圈马达是吲定的。 实验显示，通过使用黏性环氧基树脂使物镜相对稳定( 只有2 5n l l l 的变化) ， 测量的线性范围约为3 0 p m 。通过功率监视器的反馈信号和自动功率控制电路防 止激光二极管的温漂，可使激光二级管4 个小时工作时间的输入电压变化保持在 00 3 v 。在1 0 b t m 的测量范围内，测量线性误差为1 ，标准偏差为3 4 n m mj 。 通过对聚焦式测头进行定的机械和电气改装，同样可以安装在纳米测机上 使用( 图i 5 ) 。需要注意的是，在利用聚焦武测头进行测量之前，要对其输出特 性进行校准而且它的输出特性与接触式测头不同，接触式测头的输出校准曲线 是标准线性的而聚焦式测头输出信号是非标准的。 图l - 5 聚焦式测土装配于纳米测量机 三、基于压阻效应的微触觉测头 随着m e m s 敏感器的发展和精桁机械加1 水、p 的提高，近两年i 司外小现了 对基于传统坐标测量机测头的微触觉测头的研究开发。这类研究主要以定的物 理效应( k , 阻电容) 为基础通过仿真和计算建立传感器模型，利用m e m s1 艺制作传感器，结合测丰和测端球超粘带机械加t 技术，开发其蔷小体钗、高精 度、高灵敏度的微触觉测头和针对测头的测试控准系统。这方而的丁作以德围的 联郯物理研究院( p t b ) 和荷兰e i n d h o v e n 大学为代表。 第章绪论 i 、f i b 硅薄膜测头及校准弘驯 德国的联摇物理研究院( p 1 b ) 研制了一种荜十m e m s ：艺的硅材料微犁 - 维接触式测头其结构如图】一6 所小。整个测头结构山硅膜和测杆组成硅膜 上沉积的压阻是敏感单元，测量端为小球形状。当测杆的端甜受到外力作用的时 候将导致辟膜变彤，通过硅膜上的压阻变化检测i l l 测头端占【的位移和力的大小。 圈i - 6p t b 微触觉测头结构 为了对设计的测头进行测试和校准，采用了如图i - 7 所示的测头校准方案和 系统。 罔】7 校准系统结构 系统由一个租动平台提供大范围运动，平台的运动速度恒定，移动范围为 第一章绪论 2 5 m m 2 5 m m 1 3 r a m ，最小运动增量0 2 9 m 。另一个有很高分辨力和动态特性 的精确定位平台放置在粗动平台的上面，提供微动。精确定位平台由电容测微仪 和压电驱动器组成，在三个方向可以提供8 0 9 m 的运动范围，定位重复性小于 5 n m 。三轴激光干涉仪计量系统用来测量平台的运动情况，分辨力为l n m 。整个 校准系统放置在一个气浮大理石平台上，可以抑制高频噪音，减少环境扰动。测 头的端部位于三个激光干涉仪的交点处，可以避免a b b e 误差。激光干涉仪可以 提供2 m h z 的快速数据传输模式。 图1 8 校准系统控制原理图 校准系统的控制原理如图1 8 所示，利用计算机驱动定位平台和分析数据。 激光干涉仪的位置信号输出通过一个5 k h z 的触发信号进行提取，测头信号经过 放大，然后利用1 6 位a d 采集两者的输出信号。一个1 6 位i o 卡板载3 2 m b 存储器用来存储干涉仪的数据，1 6 位a d 的片载8 k 存储器用来存储传感器的输 出信号。校准后得到的探针最大偏转，x y 方向为2 4 5 9 m ，z 方向为4 4 j a m ；测 头分辨力x y 方向为7 n m ，z 方向为2 7 n m 。 2 、e i n d h o v e n 应变式测头及校准 荷兰e i n d h o v e n 大学也开发了一种基于压阻测量原理的三维微型接触式测 头，其照片如图1 - 9 所示。应变计与电路连接和弹性元件一起通过一系列的沉淀、 制版、刻蚀的工艺后被作为整体加工，测杆利用螺纹固定在三个应变梁的中心交 点处，压阻信号通过导线引出。每个应变梁上有一个由四个压阻构成的惠斯通电 桥。由于采用了先进的精密机械加工技术，测杆体积大大减小【2 们。 第一章绪论 卜7 瓷 阶 参考镜2 、f 青3 压电驱动4 测量镜1 2 外框架1 4 探甜架 1 6 探针系统1 9t 涉仪2 3 馓光光螈和接收器 罔l - 1 0 校准装置剖面罔 该测头已经成功地应用于i b s 的高精度坐标测量机上( 圈i - 1 1 ) 探针球直 径为2 5 0 t a n 测头分辨率l n m ，测量不确定度3 0 h m 。利用该测头可以实现埘微小 镜面的表面扫描测量i 。其优点在于既结台了传统坐标定位平台移动范围大的优 势，又发挥了测头测量精度高的特点实现了高精度，大范围的表面扫描测量。 翮暑 图l - 1 1 测头装配在礁标测量机上 四、总结 综上所述，上述三种铡头虽然都能实现纳米尺度上的几何测量但是它们有 各自的适用范围和使用条件。对其特性进行总结，如表1 一l 所示。 表i - l 纳米坐标测量机测头技术比较一览表 测头名称优点缺点适用范围 测试技术成熟，测试探针结构特殊受到莆要研究分子级结构 性能优异，可测试纳针尖结构的影响，不的小范围，高精度形 a f m 探针 米级二维表面信息能测量一些具有较大兢测量 分辨力高，探针已经起伏表面的器件反 商业化馈信号受压电陶瓷特 性影响，测量范围小 具备非接触测量的优利量精度受被涓器件需要进行非接触测量 点，可进行快速在缆表面光学特性影响较的场台对测量速度 光学聚焦式测量，能够在短时间大涮量范围识剐和的要求优于剥量精 内采集大量数据，方修补田难，薷提前获度 便进行= 维轮廓测得聚焦点信息难以 量宴现真正二维测量 可栗用触发式或者接测量速度慢，能够测被测器件表面具有较 触式测量能够进行量的结构受到测靖球大琛宽电的结构，如 压微魁觉武大范围高精度的剥直径的限制商业化孔，琢槽等要求准 量，可实现真正意义的测头少尚赴在研确获得被测墨件的二 上的二雏几何测量 究阶段 维尺寸信息 纳米技术的重大成就往往是以测量仪器和技术突破为先导的旧。a f m 和光 学式测头的结构已比较成熟，而对压阻式微型测头来说，其结构尺寸、压阻排布、 第一章绪论 传感器加工及测试校准方法和系统的不同，都会引起测量精度和灵敏度的差异， 因此需要更多的具有创新意义的工作。 1 3 本文的意义及主要工作 一、本文的意义 目前，国外在纳米测量方法、仪器和系统的开发及校准方面均走在了国内前 面1 2 丌。虽然商业化的原子力和聚焦式测头能够解决一定条件下的测量需要，但是 要想实现真正意义上的三维尺寸测量，还需要开发新型结构的微型接触式测头。 受到测试校准方法和系统的限制，国内有关接触式测头的开发还仅仅停留在理论 计算和仿真的基础上，并没有实现真正的加工、测试、标定和应用。而直接从国 外进口标定完成的测头不仅很难跟现有的纳米测量机相结合，而且测试校准的费 用也是很昂贵的。因此，需要开发具备自主知识产权的测头测试和校准系统。 二、本文的主要工作 针对上述现状，本文以一种课题组自行仿真设计的微型接触式测头为对象， 研究和开发基于纳米测量机的测头集成、测试和校准系统。具体工作主要包括： l 、 设计测头采用的m e m s 传感器结构及压阻排布和连接方式。对设计、加工 完成的传感器进行封装、中心定位和测杆粘贴。针对n m m 机械和电气接 口，设计测头连接部件，进行测头安装。 2 、 提出基于纳米测量和定位机( n m m ) 平台的测试校准方案。设计一套由单 片机控制的测头数据自动采集电路，实现数据采集、显示、存储和传输等 功能。 3 、 开发和设计测试校准系统软件。主要包括：校准应用过程中n m m 操作程 序；测头信号采集电路单片机程序；上位机测量和校准程序。 4 、 搭建完成测试校准系统。对装配完成的测头进行测量和校准实验，考察测 试校准系统各部分的功能。通过实验数据分析和对比，实现测头参数标定 和结构设计验证。 5 、 分析和总结现有测头及校准方法的缺陷和局限性，提出下一步工作中具体 的改进方法和措施。 第二章m e m s 压阻式测头设计 第二章m i e m s 压阻式测头设计 随着m e m s 技术的迅速发展，m e m s 压阻式传感器也得到了广泛的应用。 基于m e m s 压阻式传感器的测头相对与传统的坐标测量机测头来说具备更小的 体积和更高的灵敏度，适合于从被涮对象获取微小位移信息，并将其转换为适合 于测量的变量或信号。对压阻式测头的设计需要通过结构仿真确立采用的m e m s 传感器结构i 根据压阻效应和压阻系数公式计算加工硅材料的特性参数；设计压 阻排布的位胃、i u 路连接方式、阻值和压阻条尺、h 并利用加工完成的传感器和 测杆进行测头装配。 2 1 结构设计 测头的测量原理是基于半导体的压阻效应其结构如阁2 - i 所示。测量端受 到轴向负载的时候，测杆、中心连接体会沿着负载的方向发生移动，因为测杆采 用较硬的材料，中心连接体厚度较大以及施加的位移负载很小所以可以认为 所有的负载都传递到敏感梁l 并造成相应的粱变形。在受到横向负载的情况下， 中心连接体和测杆会发生沿垂直负载方向的转动从而造成粱的弯曲及相应的应 力变化，通过建立敏感粱应力变化和测头所受负载之间的联系，可以进行横向微 位移的检测。 测最端2 测杆3 中心连接体4 被感粱5 外框架 图2 i 测头模础 第二章m e m s 压阻式测头设计 可以看出，铡头整体组成和测量原理跟前面提到的p t b 和e i n d h o v e n 大学 的构造相似。测头部是由压阻式传感器和测杆两部分构成，测杆的测端也是采用 小球结构，测端所测最的位移或者力通过测杆传递到传感嚣上，引起敏感单元的 形变，从而改变压阻的阻值。与前面相比较发生较大变化的是传感器采用了一种 新的四粱结构由此引起压阻排布位置和测量性能参数的改变。 由文献调研可以知道，传感嚣结构是影响测头性能的晟重要因素，它直接影 响测头的量程分辨力等性能参数，因此微型接触式测头需要选择合适的传感器 结构“。下面我们就从工艺实现难度、芫敏度、耦台程度等方面对这几种结构进 行对比。利用有限元仿真软件和传感器结构模型分析过程中采用相同的敏感元 件特征尺寸参数，相同的约束条件和负载。图2 - 2 是仿真使用的是三种传感器的 结构模型。 ( 曲膜结构 4 ( 吣三角粱结构( c ) 四粱结构 图2 0 传感器结构模型 旨先我们分析一下膜结构。前面提到的p t b 的传感器就采用了这样的结 构。膜结构在分别受到轴向和横向负载时的变形图如2 - 3 所示。 f a ) 轴向负载 尉2 - 3 膜结构变形示意幽 b ) 横向负载 从国中可以看出膜结构是种超定结构，这就导致在施加横向负载的情况 f ，墙加的负载传递到膜上的很少，相当部分负载都施加在测杆上，造成了力 第二章m e m s 压阻式测叉设计 传递损失。为了将应力和变形传递到膜上，要求测杆加工使用的材料具有非常高 的刚度取l 硬度。此外，由于在m e m s 工艺流程中，膜结构内部容易产，圭不规则 的戍力分布，这就使整个传感器的机械和温度特性预测非常凼难，而且大面积的 硅薄膜容易导致传感器在加工过程中出现损坏。 其次，分析一下三角折梁结构。绪论中提到的埃因霍温大学的传感器选用的 就是类似这种结构。= 角折粱受力时的变形如罔2 4 所示。 鍪掺a ( a ) 轴向负载 图2 4 三角折粱结构变形示意图 ( b ) 横向负载 采用三角折粱结构q r 以有效地将测杆所受的应力传递到粱e 因此，采用这 样的结构可以获得较高的灵敏度。从加工t 艺上来说，三角折梁的加工工艺相比 膜结构简单，但是要高于直粱，尤其是在折角处的应力过于集中会引起力的突变。 堆重要的是，三角折梁在进行横向负载检测时，三个粱均产生变形，当需要进行 三维尺寸测量时，就需要复杂的解耦算法或者电路才能实现，而且解耦过程中带 来的误差也是不可忽略的。 最后，分析四粱传感器结构。如图2 5 所示。 。圈簿日| ( a ) 轴向负载 图2 - 5p q 桨结构盘形小意图 b ) 横向负找 第二章m e m s 压阻式测头设计 四梁结构在外加负载作用下，力和力矩能够很好地传递到敏感梁上，因而整 个结构具有较高灵敏度，应力分布均匀，这点说明四梁结构具备三角折梁的优势。 此外，四梁结构采用了比较常见的类似于m e m s 单轴和三轴加速度计的设计， 加工工艺比较成熟，没有太大的难度。相对于三角折梁结构而言，四梁结构其最 大的优点在于受单方向横向负载时，得益于中心连接体的限制，平面内垂直方向 上的梁变形很小，因此，该方向上的压阻变化相对于变形梁上的压阻变化来说非 常小，当进行三维尺寸测量时，就可以免去大量复杂的解耦过程，也避免了解耦 算法带来的误差。 总结以上结果，可以得到表2 1 。 表2 1 不同结构传感器对比结果 传感器 灵敏度加工难度输出耦合 膜结构 低 高较大 三角梁结构高较高大 四梁结构较高低小 为了提高传感器流片加工的成功率，同时保证其具备较高的灵敏度和较小的 输出耦合，本文在测头设计过程中选择了四梁结构的m e m s 压阻式传感器。 2 2 压阻检测原理 传感器的工作是基于半导体的压阻效应。与金属应变片不同，半导体的测量 灵敏度系数取决于材料，导电类型，晶轴方向和杂质浓度等。下面就介绍一下半 导体压阻测量原理以及加工采用的晶体材料的特性参数计算。 2 2 1 硅的压阻效应 早在1 9 5 4 年，c s s m 汕发现当力作用于单晶硅时，电阻率会产生显著的变化， 进而确定硅具有良好的弹性变形和显著的压阻效应【2 9 l 。硅的压阻效应和m e m s 传感器工艺结合能够充分发挥两者的优势。与应变片相比，硅的灵敏度或压力系 数大约是应变片的1 0 0 倍。一般，其它应变片与不同物质相粘结后，由于热弹性 物的拉缩和复杂的工艺，绝大数的应变片都有潜在的不稳定性( 由于粘带的老化 和热弹性物的伸缩引起的温漂和迟滞) 。而硅是接收应力的理想材料，它是完美 的晶体，不会永久的伸展，在应力消失后，又会恢复到原来的形状。作为传感器 敏感单元，硅优于金属i j 。利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的m e m s 压阻 第二章m e m s 压阻式测头设计 式传感器，具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、易于小型化、便于批量生 产等优剧3 1 1 。 对于半导体材料，由欧姆定律知道： r = p 1 s ( 2 - 1 ) 其中p 为材料的电阻率，为材料的长度，s 为横截面积。对其微分后得： 警= 生+ ( 1 + 2 u ) - 孚p ( 2 - 2 )= 二+ i 【2 - z ) 尺 、 其中为泊松比，定义为横向线度的相对缩小和纵向线度的相对伸长之间的 固定比例。引用d p ：舾，其中仃为应力，又可以写成仃：e g ，e 为杨氏模量， p s 为应变量，得出： 百d r = l t o + ( 1 + 2 , u ) 了d l = ( 翘+ l + 2 ：) 占= b ( 2 - 3 ) 半导体材料的压阻系数万= ( 4 0 8 0 ) 1 0 卅1 m 2 ，弹性模量 e = 1 6 7 x 1 0 1 1 p a 。其魉值远大于l + 2 值，故而k 庙= 5 0 1 0 0 。所以硅压阻 式传感器灵敏度系数远远大于金属应变片的灵敏度系数。考虑到式( 2 - 1 ) 与( 2 3 ) 的关系，可得： 竺竺：砸( 2 - 4 - ) 二_ = 刀仃lzj r p 应该指出，在弹性变形范围内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅 的电阻值发生变化，而当应力去除后，硅的电阻又恢复到原来的值。 2 2 2 压阻系数计算 压阻效应的表征需要通过压阻系数来实现。压阻系数表示材料受应力作用 时，电阻率变化的情况( 3 2 】。由于单晶硅是正立方体，3 个晶轴是完全等效的，所 以，硅的晶轴坐标系中压阻系数的矩阵可简化为： 万l l 6 1 00o o00 000 7 4 4 00 07 4 4 0 0 0 其中，乃。为纵向压阻系数，表示沿着某晶轴方向的应力对这一晶轴方向的 电阻的影响； 乃：为横向压阻系数，表示沿着某晶轴方向的应力对沿与某垂直的 2 2 o o o 2 l 2 以乃以o o o l 2 2 万 万 万o o 0 、rj 6 硒 第二章m e m s 压阻式测头设计 另一晶轴方向电阻的影响；为剪切压阻系数，表示剪切应力对与其相对的某 电阻率张量分量的影响，在室温下，单晶硅。，巧：，的数值如表2 2 所示【2 9 】： 表2 2 单晶硅的压阻系数( l o 掰2 i n ) 导电类型 电阻率( q c m ) 万1 1 万1 2，r “ p 型7 86 61 1 1 3 8 1 n 型1 1 71 0 2 25 3 41 3 6 对于任意晶向的压阻系数的求法，可以简单的用上述三个压阻系数的组合来 描述压阻系数，计算电阻的变化率。对于p 型硅，乃。与而，较小，可略去。对于n 1 型硅，较小，亦可略去，且石。：= 一去万。 z 下面讨论一下已知基本压阻系数分量时，如何求得任意晶向的压阻系数。如 图2 - 6 ，若坐标轴l ，2 ，3 与硅的晶轴重合，p 为任意方向，设此方向为纵向，并 有纵向应力仃，作用在单晶硅上。这里，取一新坐标系l ，2 ，3 ，并使l 轴与p 重 合。设p 轴在晶轴坐标系l ，2 ，3 中的方向余弦为，。，朋。，玎，则有： 乃= l 一2 ( 万l l 一万1 2 一万4 4 ) ( ，? m ；+ 研；刀；+ ，? 拧；) ( 2 5 ) 设q 方向与p 方向垂直，称q 为p 的横向。若有应力吼( 横向应力) 沿q 方向 作用在单晶硅上，用同样的上述投影方法可求得为： 万，= 刀1 2 + ( 万l l 一乃2 一万4 4 ) ( ，? 譬+ 历；聊；+ 刀1 2 刀2 2 ) ( 2 6 ) 当任意晶向的纵向压阻系数与横向压阻系数求出后，如果单晶硅在此晶向上 同时只有纵向应力盯，与横向应力仃，的作用，则在此晶向上( 即电流流过的方向) 的电阻的变化率： ad 竺= i t ，仃， 4 - t ，o r ( 2 7 ) 图2 6 压阻系数坐标变换图 - 1 6 第二章m e m s 压阻式测头设计 影响压阻系数的主要原因是扩散杂质的表面浓度，环境温度和晶向【3 2 1 。在室 温下( 2 7 0 c ) ，压阻系数随扩散浓度的增加而减小，表面杂质浓度相同时，p 型硅 的压阻系数比n 型硅的( 绝对) 值高，因此选p 型硅有利于提高敏感器件的灵敏 度。压阻系数与环境温度的关系，表面杂质浓度低时，随温度升高，压阻系数下 降快；提高表面杂质浓度，随温度升高，压阻系数下降趋缓。从温度影响看，扩 散杂质的表面浓度高些好，但是提高扩散浓度会降低压阻系数；而且高浓度扩散 时，扩散层p 型硅与n 型硅衬底间p n 结耐击穿电压也下降，因此要综合考虑各方 面因素的影响。单晶硅的晶面虽然很多，但是( 1 0 0 ) ( 1 1 0 ) ( 1 11 ) 是三个主要 的晶面。具体选择哪一种方案，除了最大限度地利用压阻效应和抑制负压阻效应 外，还要考虑工艺制成。本文在传感器加工的时候，压阻条选用的晶片是p 型( 1 0 0 ) 晶片，压阻排布的方向为【1 1 0 和【1 l0 】方向。由于沿着敏感梁方向的应力最大， 而垂直于梁方向的应力与之相比非常小，所以在计算时忽略。由此可以得到式 ( 2 8 ) ，其中盯，为沿着压阻长度方向的正应力。 d1 兰竺二( 矾+ 7 r ”+) 仃，7 1 8 x1 0 1 1 p a l l 4 4 78 x1 0 p a 一1 0 i ( 2 8 一) i 二【乃l + 7 r 1 2 + ，q “ 【2 。) 2 3 压阻设计 m e m s 压阻传感器是将敏感梁和压阻利用表面沉积工艺集成在一起【3 3 1 。压阻 在梁上的位置决定着传感器的测量灵敏度和线性测量区域的大小；压阻的个数和 连接方式决定了传感器在受到不同方向应力情况下的测量输出和耦合3 4 1 。因此， 应该根据三维接触式测量的设计需求，合理地选择压阻的个数，连接方式和位置。 2 3 1 排布位置 压阻的位置应该由敏感梁的受力区域决定，压阻应该位于测杆受力时敏感梁 的应力变形集中区域，图2 7 是轴向负载下传感器应力分布情况。从图中可以看 出，当测量端受到垂直于梁平面的应力时，四个敏感梁上的中心位置处变形很小 或者没有变形，变形主要集中在靠近梁的两端连接区域。那么压阻是否应该位于 最靠近两端的位置呢? 第一章m e , m s 版附式测头配计 f 2 ，o o 黑o o _ 幽2 7 轴向负载下传感器应力分布 图2 8 足从其中一根梁的边缘提取的应力分布曲线，可以看出在紧靠粱的 两端处，应力出现了跳动，即由于应力集中造成的应力突变，如果压阻排布在这 个位置，那