专利名称:微尺寸探针测头的制作方法
所属技术领域：
本实用新型属于测头，确切地说是一种微尺寸探针测头。
背景技术：
微纳米尺度零件的测量需要高精度测头，传统的高精度测量机测头主要分为接触式硬测头、接触式软测头和非接触式(光学)测头。由于接触式测头(包括机械触针式测头)存在接触力等难以克服的缺点，很难进一步提高测量精度；常规非接触式光学测头是未来的发展方向之一，其最大特点是测量力为零，在高精度测量中，测量力所带来的系统误差和随机误差是很大的，而光学非接触式测头到目前为止在技术上还没有突破性进展，由于光线的干涉和衍射现象，其测量精度只在亚微米级；激光技术和光纤传感技术的出现，促进了激光测头技术的发展，但目前还处于预研和探索阶段，其测量精度只停留在亚微米级。
80年代开始陆续出现了各类扫描探针显微镜(Scanning ProbeMicroscope，简称SPM)。中国和德国学者从89年联合开发计量型原子力显微镜，并于96年前后研制成功，其具有纳米计量仪器的特性，在其3μm*3μm测量范围内，任意两点间距离的测量不确定度为U95＝5nm+2×10-4l(l为任意两点间距)；在Z轴上的测量不确定度为U95＝1.1nm+2×10-4h。
据94年7月日本报道，日本松下电器产业公司新开发了装有原子力测头的UA3P型三坐标测量机，可测量任意的三维轮廓，测量不确定度可达10nm，远小于常规的高精度三坐标测量机测头的测量精度。其原子力测头的曲率半径为0.5mm和2μm两种，其测量力为10-4N～5×10-4N(10～50mg)。经分析，这两种测头的测量力仍完全属于宏观机械接触力，只是接触力较小而已。可根据接触力的经验公式，计算出其接触力造成的变形误差在亚微米级。
上述微小尺寸测量机测头主要存在以下问题受测量方法限制，各种测量方法的测量准确度只能达到亚微米，准确度不高；而原子力显微镜(AFM)扫描方法虽然仪器分辨率较高，但受测量范围和仪器使用条件限制，不适用于多种场合应用。某些宏观统计测量方法如大平面测头电容电荷位移测量(电容测微仪)有很高测量分辨率，但不适用于某些微纳米结构如微沟槽、微线宽等高精度测量。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述技术中存在的不足之处，提供一种设计合理、适用于多种测量条件的微尺寸高精度探针测头。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是碟形测头支架中心孔内安装有微探针殷钢支架，带有微探针的微悬臂固定在微探针殷钢支架上，双向调整支架装配在碟形测头支架的两端，双向调整支架分别装有激光器和位置检测器，碟形测头支架的上端安装有精密电极平板和压电陶瓷管，其内部有与精密电极平板有测量间隙的电容测微测量电极。
本实用新型的优点是1)设计合理，垂直方向位置灵敏度小于±2nm，测量精度高，能够完成微纳米特征的位置与尺寸高精度测量；2)微探针半径非常尖锐，可达20～30nm，特别适用于微结构尺寸(如微沟槽、微台阶结构等)的测量；3)最大可以测量的倾斜角度为±30°，可以实现三维测量。
图1为本实用新型结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细描述。
由图1可知，碟形测头支架5中心孔内安装有微探针殷钢支架3，带有微探针1的微悬臂2固定在微探针殷钢支架3上，双向调整支架7、9装配在碟形测头支架5的两端，双向调整支架7、9分别装有激光器6和位置检测器8，碟形测头支架5的上端安装有精密电极平板10和压电陶瓷管11，其内部有与精密电极平板10有测量间隙的电容测微测量电极12。
激光器6的下部设有准直透镜4。
本实用新型工作原理激光器6发出的准直激光束照射在与微探针1相连的微悬臂2上，并反射到四象限位置检测器(PSD)8上，通过位置检测器8垂直方向的光点位置变化来判断探针的上下位移量。当微探针1接触被测对象并产生原子排斥力而产生变形时，光点在位置检测器8上的位置发生变化，位置检测器输出的光电流同时发生变化，选择位置检测器(PSD)8某一光电流为恒定光电流，此时即可达到初始瞄准状态，可以进行测量。
测量时，由于被测形状高低变化引起原子力变化导致微悬臂上下位移时，测头光电控制系统处理位置检测器(PSD)8上的方向变化信息并反馈给与微悬臂2相连的压电陶瓷管(PZT)11，控制压电陶瓷管(PZT)11伸缩，位置检测器(PSD)8重新恢复原有恒定光电流，这时固定的电容测微测量电极12测得的压电陶瓷管位移量即为微尺寸探针测头的位移量。
用双向调整支架7、9实现激光器6和位置检测器8的三维微调，以利于激光光斑准确汇聚在微悬臂2的中心点，并反射到位置检测器8上。
权利要求
1.一种微尺寸探针测头，包括微探针、电容测微仪，其特征在于碟形测头支架(5)中心孔内安装有微探针殷钢支架(3)，带有微探针(1)的微悬臂(2)固定在微探针殷钢支架(3)上，双向调整支架(7)、(9)装配在碟形测头支架(5)的两端，双向调整支架(7)、(9)分别装有激光器(6)和位置检测器(8)，碟形测头支架(5)的上端安装有精密电极平板(10)和压电陶瓷管(11)，其内部有与精密电极平板(10)有测量间隙的电容测微测量电极(12)。
2.按照权利要求
1所述的微尺寸探针测头，其特征在于激光器(6)的下部设有准直透镜(4)。
专利摘要
一种微尺寸探针测头，包括微探针、电容测微仪，其特征在于碟形测头支架中心孔内安装有微探针殷钢支架，带有微探针的微悬臂固定在微探针殷钢支架上，双向调整支架装配在碟形测头支架的两端，双向调整支架分别装有激光器和位置检测器，碟形测头支架的上端安装有精密电极平板和压电陶瓷管，其内部有与精密电极平板有测量间隙的电容测微测量电极。激光器的下部设有准直透镜。本实用新型设计合理，垂直方向位置灵敏度小于±2nm，测量精度高，能够完成微纳米特征的位置与尺寸高精度测量；微探针半径非常尖锐，可达20～30nm，特别适用于微结构尺寸(如微沟槽、微台阶结构等)的测量；最大可以测量的倾斜角度为±30°，可以实现三维测量。
文档编号G01Q30/00GKCN2616899SQ03260010
公开日2004年5月19日 申请日期2003年5月28日
发明者孙涛, 阎永达, 董申, 王洪祥 申请人:哈尔滨工业大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan