李瑞君，李心愿，向 萌，程真英，范光照



接触触发式三维微纳米探头

李瑞君，李心愿，向 萌，程真英，范光照

( 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥 230009 )

为解决微电子机械系统(MEMS)器件三维尺寸高精度测量的难题，研制了一种适用于微纳米三坐标测量机的新型高精度三维接触触发式探头。该探头只用了一个基于四象限感测器的二维角度传感器即可同时实现对测球三维运动的高精度感测。介绍了探头的结构和原理，建立了探头的灵敏度模型和刚度模型，用最优化方法得出了探头结构参数的最优解。对探头的刚度、感测范围、灵敏度、稳定性及触发重复性等性能指标进行了测试。实验结果表明：探头的刚度在三轴方向基本相同, 约为1 mN/μm；允许触碰范围超过12 μm；灵敏度大于0.5 mV/nm；在恒温环境(20±0.025)℃下，1.3 h内的位移漂移量约为20 nm；触发测量重复性小于40 nm(=2)。该探头具有精度高、测力小、体积小、成本低、装调方便等优点，可被用于微纳米三坐标测量机。

位移测量仪表；微纳米三坐标测量机；接触触发式探头；弹性机构；测微力计

0 引 言

微电子机械系统(MEMS)[1-2]技术蓬勃发展，各种微型器件已经在汽车、通讯、航空航天等领域获得了广泛应用。但是MEMS器件的高精度检测，特别是具有高深宽比特征器件的检测，仍然未能很好的解决。因为扫描隧道显微镜、原子力显微镜等常见高精度测量设备和各类光学非接触式探头难以测量带有斜面、台阶、倒角、深孔等高深宽比特征的器件，所以微纳米三坐标测量机(Micro/Nano-CMM)[3-5]及其接触式探头成了该领域的研究热点。……