纳米坐标测量机的三维接触式测头机构

介绍了一种新型的用于纳米坐标测量机的三维微纳米接触触发式测头机构.本测头以灵敏度高、抗干扰性强的布拉格光纤光栅(FBG)为测量的敏感元件,根据FBG对轴向应变变化敏感的特点,开发了一套有效触发测量力小的柔性悬架机构,该机构为三悬丝-六边中心连接体的悬架结构,相间隔的3边延伸悬臂与3根布拉格光纤光栅相连,当测球发生预行程变化时,由测杆带动柔性悬架机构产生偏摆,从而带动3根FBG发生轴向的拉伸或压缩,进而产生传感信号的输出.由于测头结构复位性是衡量测球和工件分离后能否回到初始位置的标准,是测头其他各项指标的基础,因此结合激光干涉仪和精密微动平台,采用光学非接触干涉测量方法对该测头机构的实际复位性能进行了测量.结果表明,测头系统采用15 N的预紧力安装悬丝,可得到较好的复位性和灵敏度,该测头机构复位性精度在20 nm以内,满足微纳米量级高精度测量的需要.     

一种用于微米／纳米硬度测试的具有纳米分辨率的压痕成像系统

与包括原子力显微镜在内的其他压痕形貌测量方法相比,光学显微镜以其非接触、大测量范围及较快的测量速度等优点在硬度测试中应用广泛,但包括共焦显微镜在内的常规显微镜其分辨率,特别是纵向分辨率,一直不能满足要求．为此开发了一种沿光轴方向的具有纳米分辨率的压痕成像系统．该系统基于层析全场显微术,即在常规光学显微镜的基础上引入结构光照明．应用移相方法得到样品的三维形貌．成像系统样机的测量结果表明,系统的纵向分辨率可达2nm,可以高精度地实现压痕的三维形貌测量,并量化揭示纳米压痕测试中常见的“坟起（pile-up）”及“沉入（sink-in）”现象．该系统有助于进一步研究显微及纳米硬度计量方法并降低计量的不确定度.     

用于微纳米几何量尺寸测量的三维微接触式测头

为实现微纳尺度器件三维几何形貌测量及表征,基于电容和压阻原理,开发了两种三维微接触式测头。其中电容测头测量范围4.5μm,轴向分辨力和横向分辨力分别为10 nm和25 nm;压阻测头测量范围4.6μm,轴向分辨力和横向分辨力分别为5 nm和10 nm。两种测头均可集成到纳米测量机,实现微结构几何参数的测量。     

组合坐标法精确测量微纳米台阶样板高度

微/纳米级台阶高度的精确测量是纳米计量技术领域中重要的研究工作.文中提出了一种以精确定位为前提的多区域坐标组合台阶高度测量法,应用纳米三维测量机实现了标称高度1 mm的微/纳米级台阶样板高度的精确测量.结合实验数据,对影响测量结果的环节进行了分析,确定了影响测量结果的主要因素,并阐述了相应的解决办法.该技术内容对研究台...     

利用五帧相移算法进行纳米台阶高度的表征

描述了一种用于纳米级台阶高度表征的相移显微干涉测量方法，它被广泛用于高精度的表面测量上。系统采用集成了高分辨力（0．7nm）电容传感器的纳米定位器实现移相、健壮的Hariharan五帧相移算法，利用ISO5436—1：2000国际标准对纳米台阶高度结构进行了评价。结果表明，该方法具有无损、快速和易于在晶片上进行的特点。系统测量的精度在纳米量级，重复性在亚纳米量级。     

一种用于纳米计量的原子力显微镜测头的设计

介绍了我们研制的一种高精度、具有计量学意义的原子力显微镜测头.该显微测头与其它部件协同工作在50 mm×50 mm×2 mm的测量范围内实现纳米级精度的测量.测头采用光束偏转法检测探针悬臂的微小偏移,由单模保偏光纤引入半导体激光作为光源.该测头安装有3个立体反射镜作为激光干涉仪的参考镜.样品与原子力显微镜测头的相对位置可以由激光干涉仪直接读数,可溯源到米国际定义及国家基准上.激光干涉仪的布置无阿贝误差.测头采用立体光路设计,结构紧凑.测头厚度小于20 mm,质量约200 g,却实现了100 mm的反射光程.使用该测头测得与量块表面的力-距离曲线,还测得标称高度300 nm SiO2台阶样板的图像,分辨率优于0.05 nm.     

ICF靶丸表面形貌及球度误差检测

为了对ICF靶丸的表面形貌及球度误差进行高精度测量,开发了一台五轴坐标测量机,并采用锥光全息技术的激光测头实现对靶丸表面的高精度、非接触检测。首先,根据靶丸表面的结构特点,改进了基于最小二乘的球度误差评价算法;然后,介绍了作为实验平台的五轴坐标测量机的整体配置,推导了该坐标测量机的测量数学模型,该坐标测量机可实现在多个姿态下对靶丸的非接触取点测量;最后,在相同条件下,进行了5次实验测量,其结果表明:靶丸球度误差测量的均值为0.0021 mm,标准差为2.07 x10^-4 mm。该检测方法可以满足对靶丸表面形貌及球度误差高精度、高稳定性的测量要求。     

半光斑成像式多功能激光瞄准测头的研究

运用半光斑成像原理设计了一种用于三坐标测量机的多功能激光瞄准测头。详细介绍了测头的光学系统工作原理和设计思路,采用自适应控制方法实时调节激光光强使其可以适应不同光学特性表面的瞄准测量,并进行了多功能测头的重复性瞄准测量、灵敏度测量、倾角跟踪实验。实验结果表明,该测头重复性瞄准测量不确定度优于1 μm,测量灵敏度可达30 mV/μm,激光跟踪瞄准被测曲面倾角可达25°,能满足三坐标测量机的使用要求。该测头具有检测速度快、自动化程度高、瞄准精度高的特点,结合三坐标测量机或者其它测长仪器,能够实现对自由曲面进行快速精确瞄准及轮廓图像瞄准测量,具有广泛的应用前景和实用价值。     

四发射单接收光学非接触测头

研究开发了一种具有4个发射光源和1个CCD摄像机作为接收装置的光学非接触测头．测头可以用来测量包括具有强反射表面的曲面．测头基于三角法工作原理．在恰当设计的情况下，至多只有1路从工件表面反射回来的光，能够进入CCD摄像机．通过将相应通道切断，很容易消除镜面反射光的影响．这时测头就相当于1个三发射单接收光学非接触测头．测头可以同时用来测量表面的位置和方向．对于具有很大倾斜的表面具测头仍能正常工作,采用干涉滤光片消除了环境光的影响．提出了一种系统的标定方法．通过对量块的测量证实了系统工作的正确性和有效性并给出了实验结果．     

时间相移显微干涉术用于微机电系统的尺寸表征

提出了将时间相移显微干涉测量方法用于微结构和器件的几何特性检测上．该方法速度快、无损、非接触、易在晶片级进行,具有亚微米级的水平分辨力,垂直分辨力在纳米量级．测量系统采用Mirau显微干涉物镜,利用高性能压电陶瓷物镜纳米定位器实现垂直方向的相移,并通过健壮的5帧Hariharan算法获取表面的相位信息．通过测量美国国家标准研究院（NIST）认证的标准台阶对系统进行了精度标定,并通过测量微谐振器和压力传感器微薄膜的几何尺寸说明了该方法作为测量和过程表征工具的功能．     

Mirau干涉型微纳台阶高度测量系统的研究

为了实现纳米量级到微米量级的微观三维台阶样板高度的快速测量,在普通光学显微镜的基础上改造完成了一台微纳台阶高度测量装置,设计了整体硬件结构,编写了测量控制软件和数据处理软件,并结合Hilbert变换和小波变换实现三维表面形貌测量。使用不同高度的台阶样品进行测试,测试结果表明:系统测量准确度较高,测量重复性较好,垂直测量范围大于50 μm。     

三维极坐标测量技术研究

为了解决非接触测量球面的盲区问题,实现球面上小孔位置测量,研制了三维极坐标测量原型样机。分析了三维极坐标测量技术在测量原理、工件坐标系建立、测头应用、温度特性及误差传递等方面的特点。结果表明三维极坐标测量方法适合应用非接触光学测头,有利于提高三维坐标测量精度。     

扫描探针显微镜在粗糙度、纳米尺寸、表面形貌观测方面的应用

扫描探针显微镜是近十几年来在表面特征、表面形貌观测方面最重大的进展之一，是纳米测量学的基本工具。叙述了扫描探针显微镜的工作原理、检测模式及在观察检测纳米级的粗糙度、微小尺寸、表面形貌方面的特点和方法，比较了原子力显微镜、常规的表面轮廓仪、干涉显微镜、扫描电子显微镜在表面特性、表面形貌观测方面的性能，着重介绍了扫描探针显微镜在粗糙度、纳米尺寸、表面形貌观测方面的应用和存在的问题。     

Behavior characteristics of nano-stage according to hinge structure

Nano-stages are used in many ultra-precision systems, such as scanning probe microscope (SPM), optical fiber aligners, ultra-precision cutting, measuring and optical systems. Generally, ultra-precision machining and measuring are achieved using a nano-scale motion stage actuated using Piezo-electric actuators (PZT), and the importance of and demands for the motion stage increase with the need to improve system performance and accuracy. However, it is difficult to find solutions because the performance and characteristics of nano-scale motion stages are determined by various factors, such as the hinge structure, actuator, and method of system control. This paper focuses on improving of leafspring and planar joint hinges, and suggests a composite joint hinge stage.     

音叉光纤一体式三维谐振测头优化研究

音叉光纤一体式三维谐振测头是一种应用于微纳米三坐标测量机的新型测头,由石音音叉与光纤测杆测球组成。为了保持测头的振动稳定性与测量准确性,测杆的长度被限制在1 mm以内,导致其测量较大深宽比微结构的能力受限。为了在保障测头测量性能的同时,进一步提高测头的测量能力,对测头进行了优化改良,并进行了性能测试实验。     

Micro-three dimensional shape measurement method based on shadow Moiré using scanning electron microscopy

A novel, precise, three-dimensional shape measurement method using scanning electron microscopy (SEM) and Moiré topography has been proposed. The possibility for measurement of wavelength order using this method is discussed based on results of experiments to confirm the principle. In these experiments, a high-resolution method based on the new measurement method is proposed, employing fringe scanning technology for the shadow Moiré. The optical system is constructed with a SEM using backscattering electrons, a grating holder that can shift the position of the grating, and a grating having a pitch of 120?µm. Measured results using a bearing ball as a sample show that high resolution measurements of around one micrometre can be performed using the fringe scanning method and the new measurement arrangement. An error analysis of the method is performed to enable improvement of the measuring accuracy.     

计量型原子力显微镜环境温度的测控

在纳米结构的检测与表征领域中,温度是影响纳米尺度测量精度的重要误差源.为此,根据测量材料的热物性和空气折射率与光学测量的关系,以计量型原子力显微镜和大范围纳米测量机为例,首先通过设计高精度多点测温系统进行精密的温度测量,分析估计在扫描测量纳米结构过程中温度变化对其测量结果的影响.其次对纳米测昔中温度测量的相关技术问题进行了研究,以保证纳米表征和检测在纳米尺度及其量值上的准确性.     

飞机表面划痕非接触测量仪的研究

介绍了一种飞机表面划痕非接触测量仪。它以激光三角传感器为主要组成部件，并附以机械扫描装置，可完成被测飞机表面划痕的非接触测量。在分析了被测表面散、反射特性的基础上，给出了激光三角传感器正确放置方式，并提出改善测量精度的传感器姿态调整法。针对浅划痕测量时噪声较大的特点，提出利用子波分析的方法突出被测划痕形貌的信号处理方法，实验表明了此方法的可行性。本测量仪具有非接触测量、测量范围大、精度高、结构简单、成本较低的特点。