量子隧穿和球面散射场复合原理传感方法与装置与流程

本发明属于精密传感与测量技术领域，主要涉及一种量子隧穿和球面散射场复合原理传感方法与装置。

背景技术：

随着当前精密加工制造水平的日益提高，具有大深宽比特征的微纳/微小结构在尖端技术领域得到应用，用于此类结构精密测量的传感方法与传感测头随之成为当前研究热点。高分辨力与瞄准精度、三维各向同性和无损伤快速测量能力是实现大深宽比结构高精度测量的关键要素。然而，将现有的精密测头及传感技术方案应用到具有大深宽比特征的结构测量时，很难实现纳米级高分辨力、三维各向同性、大深宽比测量能力和无损伤测量特性的有效兼顾和高精度测量。

目前，现有的精密测头及传感技术方案根据基本原理可分为三种类型：即微力接触式测量方案、扫描探针方案和聚焦光探针方案。微力接触式测量方案很难同时获得匹配的垂直于测杆的二维平面内和轴向敏感特性，测头姿态误差等问题较为突出，很难实现真正三维测量，且由于测力变形与损伤的存在其动态特性差，无法实现无损伤快速测量；扫描探针与聚焦光探针一般只具有一维敏感特性，不具有实现横向高分辨的潜力，配合运动扫描最多只能实现二维半测量，不具有真正三维测量能力。因此，针对大深宽比结构的测量，亟需提出一种兼具纳米级高分辨力、真正三维、大深宽比测量能力和非接触测量特征的传感技术方案。

针对该问题，哈尔滨工业大学提出一种基于球面散射电场原理的传感测量方法(1.ultraprecision3dprobingsystembasedonsphericalcapacitiveplate.sensorsandactuatorsa:physical,2010；2.基于球形电容极板的超精密非接触式三维瞄准与测量传感器，中国专利号：zl200910072143.2)。该传感技术方案的技术特点为：(1)首次将球面散射电场原理应用于金属测球使其作为球形电容极板实现了非接触式测量，使该测头具有了无损伤快速测量的能力；(2)该技术方案的传感特性与金属测球的直径关系密切，随着金属测球直径减小其传感分辨力随之变差；目前已工程实现的最小测球直径为500μm，目前尚无法测量微纳尺度的大深宽比结构。

重庆理工大学提出一种基于隧道效应的纳米位移传感器方案(一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，中国专利号：zl201010101154.1)。该方案的技术特点为：(1)该方案是一种微力接触式测量方案，测量过程中测头接触被测物体，通过导杆将待测面表面的垂向高度变化传递至探针与石墨块的间距上，并利用一维隧道效应原理将探针与石墨块的间距作为敏感单元进行传感，可以实现垂向纳米级的高分辨力；(2)由于该传感技术方案采用的是探针，只具备垂向高分辨力测量能力，基本不具备水平向测量能力，即只具有垂向一维测量能力而不具有三维测量能力，故无法测量大深宽比微小结构尺寸参数和水平向几何参数；(3)由于测头与被测件需要接触才能使探针和石墨块间发生隧道效应，存在划伤待测面和测头的风险，则该接触式传感技术方案动态特性较差，很难实现快速无损伤测量；(4)与所有接触式测头一样，测杆长度增大其测量力变形会不可避免地引入误差导致精度下降。

德国埃尔朗根-纽伦堡大学的学者提出一种基于肖特基辐射效应的传感测量方案(1.schottkyemissioneffectinsurfacetopography:methodandapplication.internationaljournalofnanomanufacturing,2011；2.electricalprobingfordimensionalmicrometrology.cirpjournalofmanufacturingscienceandtechnology,2008)。该传感技术方案的技术特点为：(1)该方案采用肖特基辐射效应作为传感原理，为非接触式传感原理，理论上可以实现无损伤快速测量；(2)该研究文献是一个原理性的初步探索，测头是采用实心金属棒与金属球直接焊接构成，未针对大深宽比结构的测量给出完整、具体的技术解决方案，未给出测头机械结构、信号传输和屏蔽干扰等的技术方案，无法实现大深宽比结构的实际工程测量。

综上，通过传感测量方法与装置的创新，提供一种有效兼顾传感的纳米级高分辨力、三维各向同性、大深宽比测量能力和无损伤快速测量能力的传感技术方案，对大深宽比微纳/微小结构的精密测量具有重大意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述现有技术的大深宽比微纳/微小结构精密测量存在的问题，提供一种量子隧穿和球面散射场复合原理传感方法与装置，以期实现传感的纳米级分辨力、三维各向同性特性、大深宽比和无损伤快速测量能力的有效兼顾。

本发明的技术解决方案是：

一种量子隧穿和球面散射场复合原理传感方法，所述传感方法包括以下步骤：

①采用测头姿态调整机构对复合原理测头相对被测件的姿态进行调整，使复合原理测头进入瞄准姿态；再用测量驱动机构驱动复合原理测头或被测件，在两者之间的相对距离进入工作区间后，测量驱动机构停止驱动；

②先用球面散射场传感原理传感，得到被测件和微测球瞄准间隙的粗测结果，根据该粗测结果控制测量驱动机构，使微测球和被测件的瞄准间隙直接进入量子隧穿原理的工作区间内，然后采用量子隧穿传感原理进行传感，采用偏置电场发生系统产生偏置电压加载在微测球和被测件之间形成偏置电场，尔后通过对偏置电场的调整和控制，使微测球和被测件之间发生三维量子隧穿效应，将微测球与被测件之间的瞄准间隙转化为传感信号；

③采用复合原理信号检测系统对上述②中传感信号进行检测和处理，根据瞄准间隙和传感信号之间对应关系的模型，以纳米分辨力提取微测球和被测件之间的瞄准间隙信息，实现三维、纳米分辨力传感与测量。

一种量子隧穿和球面散射场复合原理传感装置，包括复合原理测头、复合原理信号处理系统、测头姿态调整机构、防撞安全保护机构、测量驱动机构，所述复合原理测头由微测球、信号传输机构、屏蔽机构、装卡机构、信号连接器、绝缘部件和信号线构成，所述微测球与信号传输机构的下端相连接，信号传输机构的上端通过信号线与信号连接器相连，信号传输机构的主体位于屏蔽机构中，屏蔽机构装配在装卡机构上，在屏蔽机构内配装绝缘部件，信号连接器连接信号传输电缆，屏蔽机构、装卡机构和信号连接器的外壳与信号传输电缆的屏蔽层无缝连接；所述复合原理信号处理系统由偏置电场发生系统、复合原理信号检测系统、限流单元、通信电缆和仪器主控计算机构成，所述偏置电场发生系统和复合原理信号检测系统通过通信电缆分别与仪器主控计算机连接；复合原理测头的信号连接器、限流单元、复合原理信号检测系统、偏置电场发生系统、被测件通过信号传输电缆依次串接，构成传感信号检测回路；复合原理测头装配在所述测头姿态调整机构上，所述测头姿态调整机构与所述防撞安全保护机构固定装配，测量驱动机构安装在防撞安全保护机构或被测件上。

本发明的技术创新性及产生的良好技术效果在于：

(1)通过量子隧穿原理和球面散射电场的复合实现精密传感，同时实现了纳米分辨力和非接触测量能力，在微测球直径小至1μm时仍能保证纳米分辨力传感特性不变从而显著降低了最小可测量尺寸；采用非接触测量方式可实现无损伤快速测量，而且避免了摩擦、磨损及损伤待测件，避免测量力变形制约测量精度与可测深宽比的问题；此外两种非接触原理的复合传感可显著减少测量驱动机构精密调整微测球和被测件的瞄准间隙并使其进入隧穿工作区间的时间，可有效兼顾高分辨力和高效率，保证测头的动态特性；

(2)该传感技术方案可实现三维各向同性特性传感从而具备了三维测量能力，不仅可以测量大深宽比微纳/微小结构的形状/形貌特征，更可以测量垂直深度、横向尺寸、空间坐标的几何参数的测量，具备各向同性、三维亚纳米分辨力和精度的特性；

(3)针对导体被测件，本技术方案由于采用三维量子隧穿原理、球面散射场原理和微测球结构，可实现三维各向同性的特性，因而可解决现有传感技术方案在测量导体材料的大深宽比微纳/微小结构时精度随深宽比增加而降低的问题，可提高最大可测深宽比。

本发明可有效兼顾纳米分辨力、三维各向同性、大深宽比测量能力，为大深宽比微纳/微小结构精密测量提供了一种有效的传感测量方法与装置。

附图说明

图1为测量驱动机构安装在防撞安全保护机构上的量子隧穿和球面散射场复合原理传感装置结构示意图；

图2为测量驱动机构安装在被测件上的量子隧穿和球面散射场复合原理传感装置结构示意图；

图3为被测间距与隧道电流关系的一个实测结果。

图中件号说明：1复合原理测头、2复合原理信号处理系统、3测头姿态调整机构、4防撞安全保护机构、5测量驱动机构、6微测球、7信号传输机构、8屏蔽机构、9装卡机构、10信号连接器、11信号传输电缆、12偏置电场发生系统、13复合原理信号检测系统、14限流单元、15被测件、16通信电缆、17仪器主控计算机、18绝缘部件、19信号线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

一种量子隧穿和球面散射场复合原理传感方法，所述传感方法包括以下步骤：

①采用测头姿态调整机构对复合原理测头相对被测件的姿态进行调整，使复合原理测头进入瞄准姿态；再用测量驱动机构驱动复合原理测头或被测件，在两者之间的相对距离进入工作区间后，测量驱动机构停止驱动；

②先用球面散射场传感原理传感，得到被测件和微测球瞄准间隙的粗测结果，根据该粗测结果控制测量驱动机构，使微测球和被测件的瞄准间隙直接进入量子隧穿原理的工作区间内，然后采用量子隧穿传感原理进行传感，采用偏置电场发生系统产生偏置电压加载在微测球和被测件之间形成偏置电场，尔后通过对偏置电场的调整和控制，使微测球和被测件之间发生三维量子隧穿效应，将微测球与被测件之间的瞄准间隙转化为传感信号；

③采用复合原理信号检测系统对上述②中传感信号进行检测和处理，根据瞄准间隙和传感信号之间对应关系的模型，以纳米分辨力提取微测球和被测件之间的瞄准间隙信息，实现三维、纳米分辨力传感与测量。

一种量子隧穿和球面散射场复合原理传感装置，包括复合原理测头1、复合原理信号处理系统2、测头姿态调整机构3、防撞安全保护机构4、测量驱动机构5，所述复合原理测头1由微测球6、信号传输机构7、屏蔽机构8、装卡机构9、信号连接器10、绝缘部件18和信号线19构成，所述微测球6与信号传输机构7的下端相连接，信号传输机构7的上端通过信号线19与信号连接器10相连，信号传输机构7的主体位于屏蔽机构8中，屏蔽机构8装配在装卡机构9上，在屏蔽机构8内配装绝缘部件18，信号连接器10连接信号传输电缆11，屏蔽机构8、装卡机构9和信号连接器10的外壳与信号传输电缆11的屏蔽层无缝连接；所述复合原理信号处理系统2由偏置电场发生系统12、复合原理信号检测系统13、限流单元14、通信电缆16和仪器主控计算机17构成，所述偏置电场发生系统12和复合原理信号检测系统13通过通信电缆16分别与仪器主控计算机17连接；复合原理测头1的信号连接器10、限流单元14、复合原理信号检测系统13、偏置电场发生系统12、被测件15通过信号传输电缆11依次串接，构成传感信号检测回路；复合原理测头1装配在所述测头姿态调整机构3上，所述测头姿态调整机构3与所述防撞安全保护机构4固定装配，测量驱动机构5安装在防撞安全保护机构4或被测件15上。

所述微测球(6)采用不锈钢或碳化钨材料制成，球体表面镀金或铂材料薄膜。

所述微测球(6)直径在φ1μm～φ1mm范围内。

所述测头姿态调整机构(3)为二维柔性铰链、二维气浮轴承或气浮球轴承结构。

所述屏蔽机构(8)和所述信号传输电缆(11)均为多同轴结构。

下面结合图1和图3给出本发明的一个实施例。图1为本发明的量子隧穿和球面散射场复合原理传感装置结构示意图。本实施例中测量驱动机构5驱动复合原理测头1。被测件15的待测面为小孔内圆柱面。复合原理测头1中微测球6采用不锈钢球，表面镀金材料的薄膜。屏蔽机构8壁厚为20μm。信号传输机构7通过焊接与微测球6在电气上连接。屏蔽机构8与信号传输机构7同轴装配构成同轴结构，两者通过绝缘材料构成的绝缘部件18进行绝缘，各部件之间可靠绝缘与定位。屏蔽机构8装卡在装卡机构9上，而装卡机构9装配在测头姿态调整机构3上，测头姿态调整机构3与防撞安全保护机构4装配。测头姿态调整机构3为二维柔性铰链结构。防撞安全保护机构4采用磁吸式保护机构，固定在测量驱动机构5上。测量驱动机构5具有纳米级位移分辨力。偏置电场发生系统12和复合原理信号检测系统13通过通信电缆16与仪器主控计算机17相连，并由仪器主控计算机17对二者进行控制。

首先调整复合原理测头1与被测件15的相对位置，控制测量驱动机构5驱动复合原理测头1使其微测球6逐步接近被测件15的待测面，两者间距逐渐减小直至进入瞄准间隙范围内。当被测件15为导体时，采用量子隧穿原理和球面散射场原理复合进行传感与测量，此时先利用球面散射场传感原理传感，得到被测件15和微测球6瞄准间隙的初步测量结果，根据该结果控制测量驱动机构5，使微测球6和被测件15的瞄准间隙直接进入量子隧穿原理的工作区间内，此时调整偏置电场发生系统12使其输出设定的恒定电压加载在微测球6与被测件15间形成偏置电场，通过对偏置电场的调整和控制，使微测球6和被测件15之间发生三维量子隧穿效应，微测球6与被测件15的间隙信息转化为传感电信号。同时监控复合原理信号处理系统2，通过控制复合原理信号检测系统13对该电信号进行处理，即可得到被测件15与微测球6的瞄准间隙。归一化被测间距与归一化隧穿电流关系的一个实测曲线如图3所示，可据此建立测量模型。

图2为本发明的另一种实施方式，测量驱动机构5驱动被测件15。将被测件15固定在测量驱动机构5上，由测量驱动机构5带动被测件15接近复合原理测头1的微测球6从而完成测量。复合原理测头1与测头姿态调整机构3及防撞安全保护机构4连接固定，可安装在坐标机的z轴运动机构上以便于测量。