基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米三坐标测头，更具体地说是一种用于纳米量级的三维尺寸测量的 三坐标测量机的测头机构。
【背景技术】
[0002] 近二十年来，微电子技术快速发展，出现了各种微器件，比如微机械零件、微电机 系统MEMS、生物医疗器件和光学器件等等。这些微器件的几何特征尺寸的三维测量要借助 于坐标测量机CMM，但是传统的商用三坐标测量机的各轴定位及综合精度均只能达到微米 等级，满足不了纳米测量的精度要求；同时所用的测头探针直径较大，不能用于较小尺寸的 三维探测，且测量力太大，容易造成被测件的变形和损伤。
[0003] 因此，近年来已有研制纳米级精度且体积微型化的三维坐标测量系统Nano-CMM， 以及Nano-CMM测量探头，测量不确定度小于100nm，Nano-CMM测量探头是Nano-CMM的关键 部分，是Nano-CMM实现纳米级测量精度的重要部件。而对传统CMM测头进行简单的小型化 设计并不是一种有效的Nano-CMM测头实现方法，在测量器件时，易与被测特征碰撞，损坏 被测器件的表面。因此，应全面综合地考虑高精度低测量力的设计需求，对Nano-CMM测量 探头进行全新的开发与设计。
[0004] 近年来，光纤光栅作为一种新型光学传感器件，凭借其优良的传感特性，在桥梁、 建筑、海洋石油平台、大坝等工程的结构监测、以及航空航天业、电力工业、小尺寸医学传感 器等很多领域得到了深入研究和开发应用。基于光纤布拉格光栅具有尺寸小、灵敏度高、线 性范围宽、重复性好、抗电磁干扰能力强、等优良传感特点，是纳米测量的优良传感器件，非 常适合于微纳米级的尺寸和参数测量，用于微纳米测量领域也具有很大的发展空间。但是， 由于布拉格光纤光栅是在直径为125um的裸光纤上进行紫外光写入来形成，因此布拉格光 纤光栅脆而易断，并不能直接使用，必须进行封装。传统封装方法是工程填埋封装和悬臂梁 粘贴式封装，但这两种封装方式尺寸结构较大，测量力也较大，不利于微纳器件的尺寸和参 数的超精密测量。
[0005] 对于球头直径很小的纳米测量探头，在球头与被测体两个微观面即将接触时，其 微观表面作用力的影响极其显著，其大小依赖于表面结构和材料，且随结构尺寸的减小而 增大。这些微观作用力包括毛细作用力、静电力、范德华力van der Waals、卡西米尔力 Casimir Force等。在微米量级，范德华力的影响会超出重力影响一百倍。英国联邦物理研 究所NPL开发了基于压电陶瓷动态传感的探头，对探头的微观表面作用力的影响进行了研 究，但由于使用MEMS技术加工探头结构，其加工和装配相当复杂。
【发明内容】
[0006] 本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于光纤布拉格光栅的 谐振式纳米三坐标接触式测头，以期获得灵敏度高、测量力小、微观表面作用力影响小、长 期稳定性好、重复性好、且各向异性小的FBG谐振式Nano-CMM测量探头。
[0007] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0008] 本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的特点是，所述测头 的结构设置为：
[0009] -个带有球头的一体化探针呈"T"型固定在悬浮支架的中心点，悬浮支架上处在 同一平面中的各支架杆呈射状分布，柔性悬臂与所述悬浮支架的中心固定在一起，所述柔 性悬臂上处在同一平面中的各柔性臂的远端固定在外连接圈上，构成测量探头；
[0010] 设置在封装层中的FBG传感器的下端固定在悬浮支架中各支架杆的远端，FBG传 感器的上端固定在压电陶瓷振板的边缘处，所述压电陶瓷振板通过螺纹与压电陶瓷的位移 输出轴固定连接，所述压电陶瓷通过螺纹固定连接于测头底座的底面上。
[0011] 本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的结构特点也在于： 设置所述谐振式纳米三坐标接触式测头为动态谐振式位移测头，是以压电陶瓷驱动FBG传 感器在设定的频率和振幅上谐振运动，利用柔性悬臂带动所述测量探头的动态谐振运动； 对于在所述微小球头上产生的被测位移量，以所述FBG传感器相应产生的应变带来动态谐 振变化，获得各FBG传感器中心波长的谐振变量信号；对于所述FBG传感器中心波长的谐振 变量信号通过动态解调获得中心波长的谐振变量，根据所述中心波长的谐振变量得到探头 的位移量。
[0012] 本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的结构特点也在于： 所述柔性悬臂中各柔性臂在柔性悬臂所在的平面中呈弧形，在圆周上均匀分布的柔性臂与 在圆周上均匀分布的支架杆为数量相等，并且柔性臂与支架杆分处相交错的圆周位置上。
[0013] 本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的结构特点也在于： 所述柔性悬臂是以铍青铜为材质，采用光学成像和化学蚀刻的方法制备而成。
[0014] 本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的结构特点也在于： 所述柔性悬臂的制备是在厚度为〇. Imm的铍青铜薄片的外表加覆感光层，并进行结构尺寸 的单面光学成像曝光，使得在铍青铜薄片的一面感光层中含有结构尺寸信息，并在曝光后 留下所述结构尺寸信息，在铍青铜薄片的另一面感光层中不含结构尺寸信息，并在曝光后 成为完全固化层；完成曝光后对含有结构尺寸信息的一面进行单面化学蚀刻完成制备；设 置所述光学成像曝光的曝光时间为2分30秒，设置所述单面化学蚀刻的蚀刻温度为50°C， 蚀刻时间为15分钟。
[0015] 本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的结构特点也在于： 所述FBG传感器是在裸光纤上经紫外曝光制得光纤布拉格光栅，在所述光纤布拉格光栅的 表面利用工业硅胶进行二次封装形成封装层，封装直径为0. 3_。
[0016] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0017] 1、本发明中三坐标测量探头设计为三维光纤布拉格光栅动态谐振式探头结构，这 种动态谐振式测量方法不仅大大削弱各种静态、准静态干扰，如温漂、零漂等的影响，还能 有效减小微观表面作用力的影响，同时可以获得较小的探头测量力。
[0018] 2、本发明采用光纤布拉格光栅谐振传感进行感测，相比应变式、压阻式、电容式和 电感式等电学传感器，具有极好的抗电磁干扰能力，同时可以获得更高的灵敏度和精度。
[0019] 3、本发明的光纤布拉格光栅动态谐振式探头结构中，铍青铜柔性支承结构设计为 光学成像和化学蚀刻加工方法制成，具有不弯曲、不翘曲、边缘质量高、形状误差小、结构尺 寸信息更准确等优点，因此可显著减小测头结构的各向异性和测量误差。
[0020] 4、本发明中，由于柔性悬臂的工作变形范围远小于铍青铜片自身的最大允许变形 范围，使得测头具有很好的测量重复性和结构稳定性，同时柔性悬臂支承与悬浮支架采用 一点中心连接、各臂相互交错的连接方式，此结构测力较小，柔性良好。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明结构示意图；
[0022] 图2为本发明中柔性支承传感结构示意图；
[0023] 图3为本发明中，探针球头未接触被测表面时，进行连续2小时系统测量值漂移的 稳定性测量结果序列；
[0024] 图4为本发明中，探针球头已经接触被测表面后，进行连续2小时系统测量值漂移 的稳定性测量结果序列；
[0025] 图5为本发明中，纳米测量探头的复位性标准差数据。
[0026] 图中标号：1探针，2柔性悬臂，3悬浮支架，4光纤布拉格光栅，5封装层，6压电陶 瓷振板，7电陶瓷，8外连接圈，9测头底座。
【具体实施方式】
[0027] 参见图1和图2,本实施例中基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测 头的结构设置为：
[0028] 带有球头的一体化探针1呈"T"型固定在悬浮支架3的中心点，悬浮支架3上处在 同一平面中的各支架杆呈射状分布，柔性悬臂2与所述悬浮支架3的利中心固定在一起，所 述柔性悬臂2上处在同一平面中的各柔性臂的远端固定在外连接圈8上，构成测量探头。这 种柔性悬臂支承与悬浮支架中心一点连接、各臂相互交错的连接方式，相比于之前研究的 柔性悬臂两端分别连接于悬浮支架远端和外连接圈的连接方式，由于连接点位置的更改、 柔性悬臂支承力臂增长，悬浮支架远端不受柔性悬臂的约束，使得此结构测力更小，柔性更 好。
[0029] 设置在封装层5中的FBG传感器4的下端固定在悬浮支架3中各支架杆的远端， FBG传感器4的上端固定在压电陶瓷振板6的边缘处，所述压电陶瓷振板6通过螺纹与压电 陶瓷7的位移输出轴固定连接，所述压电陶瓷7通过螺纹固定连接于测头底座9的底面上。 FBG传感器上下端固定点间的距离即为FBG敏感栅的长度，由于FBG传感器对应变敏感，而 应变ε可表示为：
[0030] 黎^： ?
[0031] 其中，1为发生应变的长度