基于MEMS微触觉测头和纳米测量机的扫描测量平台

将自主开发的基于MEMS工艺的微触觉测头与纳米坐标测量平台相结合,构建高性能的扫描测量平台,提高了微结构和器件扫描测量的精度和分辨力。基于微触觉测头的测量原理,研究了微触觉测头应用于纳米坐标测量平台的反馈控制方法以及控制转换参数的标定方法,讨论了扫描平台不同扫描方式对测量的影响。实验进行了相对平整表面和非平整表面形貌的扫描测量,结果表明,相对平整和非平整表面进程回程重复扫描差值的标准偏差分别为15.519 nm和23.088 nm,系统具有较高的测量重复性。

微纳米测量机测头结构的参数设计及分析

设计了一种高精度的接触扫描式测头，提出了4种测头弹性结构的设计方案。根据测头的测量范围、测量灵敏性、测量稳定性、各向同性的要求，选择了最优的设计结构。对选择的结构进行了参数设计、力学分析和有限元分析，分析结果表明设计的测头测量范围达到40μm×40μm×20μm，测量刚度小于0．5mN／μm，各向同性也符合设计要求。

利用纳米测量机实现大范围的计量型原子力显微镜

利用纳米测量机(NMM)和原子力显微镜(AFM)实现了大范围的计量型AFM,测量范围可以达到25mmⅹ25mmⅹ5mm,分辨力为0.1nm。纳米测量机扩展了普通AFM测头的测量范围,减小了压电扫描器固有特性的影响。运动全范围内的自适应误差补偿通过5个自由度的闭环操作得以实现。系统的高精度是通过3个微型激光干涉仪的零阿贝误差设置,一个表面传感AFM测头以及两个角度传感器实现。系统具有4种工作模式,其中第4种为最佳工作模式。实验结果表明系统具有高精度和大范围的特点。

应用于纳米测量机的MEMS微接触式测头的结构设计和优化

为了提高MEMS微接触式测头的性能,系统开展了测头的结构设计和参数优化.根据测头结构各个部分的设计目标,提出了测头悬挂系统拓扑结构的设计方案.基于测头结构的力学模型,提出了结构参数对测头性能的影响机理,并采用有限元方法对测头的测杆、中心连接体、梁等结构参数进行了仿真优化,获得了符合测头整体性能设计要求的参数及应力分布曲线.

基于MEMS微触觉测头和纳米测量机的特征尺寸测量

针对微小结构几何量测量的需求,通过集成MEMS微触觉测头和纳米测量机构建了高精度的测量系统。在验证测头性能的基础上,完成了一系列判断测头测量分辨力和精度的实验,在轴向、同向横向、异向横向三个方向测量的标准偏差分别为41.7552nm,6.05μm,6.16μm,同时,在扫描实验中进程回程扫描差值的标准偏差为23.088nm。

基于纳米测量机的微结构三维坐标测量

针对当前微纳米测量中存在的微结构跨尺度、高精度测量及高深宽比结构多参数表征问题,基于纳米测量机和微接触测头构建了纳米坐标测量系统。通过对测头与定位平台机械、电气及软件接口的设计,实现测头与平台的集成,并利用标准球对测量系统进行校准。为保证测量结果的可溯源性,对定位平台三轴激光干涉仪的激光器进行了拍频。最后,利用搭建的测量系统对高度10μm,2 mm的超高台阶及硅臂卡爪的侧壁倾角进行了测量,表明系统具备大尺寸结构的高精度测量和复杂MEMS器件特征尺寸的精确表征能力。

微纳米测量机工作台的结构及性能分析

对微纳米测量机新型工作台进行了结构及静、动态性能分析。比较了不同结构的X、Y工作台的静态变形和刚度;对三维工作台进行了模态和谐响应分析,得到振动频率和振动位移。分析表明:合理的结构设计能够减小工作台的变形量,增加工作台的稳定性;工作台受驱动不会产生共振,动态性能满足要求。

集成AFM测头的纳米测量机用于台阶高度的评价

利用纳米测量机(NMM)和原子力显微镜(AFM)实现了高精度的台阶高度评价,该系统的测量范围可以达到25 mm×25 mm×5 mm。文中描述了NMM和AFM的工作原理,说明了NMM的高精度定位性能,系统利用NMM实现x、y方向的扫描,AFM测头只是作为零点传感器,通过将AFM的悬臂梁反馈控制信号引入到NMM的数字信号控制器中,NMM实现在z方向的辅助测量,这种测量模式减小了AFM的PZT扫描器固有特性对测量的影响。根据ISO 5436—1:2000的评价方法对经过标定的台阶高度进行评价,14次测量的标准偏差为0.52 nm。

微型激光干涉仪应用于纳米测量机

本文介绍德国SIOS公司的微型激光干涉仪在德国Ilmenau技术大学纳米测量机 (NMM )研制过程中的应用。简要介绍微型激光干涉仪的工作原理 ,重点论述NMM如何在 2 5mmx 2 5mmx 5mm的空间范围内实现分辨力为 1.

纳米校准与测试——基于纳米测量机的试验性研究

主要介绍了基于纳米测量机的高阶梯差台阶标准样板和深沟槽深度标准样板计量测试和校准工作研究,包括在NMM上对两种标准样板进行计量测试和校准、在NMM上安装不同的探测传感器时纳米级深度标准样板和台阶高度样板的校准比较、以及在研航空基金项目"在NMM上实现小型非球面的坐标扫描轮廓测量方法"。

纳米测量机传感器信号显示与切换系统的设计

为提高纳米坐标测量机的测量效率,降低因测头切换频繁引起的设备故障率,设计了一个具有测头测量信号/观察信号切换并能够实时显示测量信号电压值的装置。该装置主要以C8051F单片机为核心,通过A/D转换芯片和液晶显示模块实现信号电压值的显示功能,同时通过多路选通开关实现信号切换功能。试验表明,该装置的电压示值与输入电压的标准值之间的偏差为0.005 V,并且切换操作简便、准确安全,可以很好地实现显示和切换功能。

激光干涉仪在纳米测量中的典型应用

激光干涉仪具有测量分辨力高、测量结果可溯源等优点,在纳米测量中的应用日益广泛。介绍纳米测量机和低膨胀材料线膨胀系数测量装置中应用的迈克尔逊型激光干涉仪以及在高准确度位移测量装置中应用的法布里-珀罗型激光干涉仪,并结合这些实例对激光干涉仪光学系统设计、测量环境控制、迈克尔逊干涉仪非线性误差补偿以及法布里-珀罗干涉仪量程扩展等方面的关键问题进行分析和总结。所述原则和方法对实现纳米级测量准确度具有重要意义,可为高准确度激光干涉仪的研制及其在纳米测量中的更广泛应用提供技术参考。

集成聚焦式测头的纳米测量机用于台阶高度标准的评价

利用集成聚焦式测头的纳米测量机实现了高精度的台阶高度标准评价,该系统的测量范围可以达到25mm×25mm×5mm。描述了纳米测量机的工作原理,通过内嵌激光干涉仪和角度传感器的实时测量与反馈,实现高精度定位与扫描。聚焦式测头只作为零点传感器,与3个激光轴交于一点,避免了阿贝误差影响。通过将聚焦式测头的输出信号引入到纳米测量机的数字信号控制器中,实现定位系统的辅助测量,减小了聚焦式测头的非线性对测量结果的影响。根据ISO5436-1:2000的评价方法对经过标定的台阶高度进行评价,14次测量的均方根(RMS)偏差为0.237nm。

微纳米三坐标测量机测头的研究进展

根据微纳米三维测量的发展和研究现状,首先归纳了三维微纳米测头的技术要求并进行分类,然后对国内外微纳米CMM测头的研究进展进行了介绍和比较,指出了各种类型测头需要解决的问题。针对这些测头的局限性,探讨了正在研究的新型三维谐振触发方法和触发测头。最后对微纳米三坐标测头的研究与开发趋势进行了总结和展望。

零阿贝误差的纳米三坐标测量机工作台及误差分析

为避免常规三坐标测量机(CMM)中的阿贝误差,同时降低导轨运动误差对测量机测量不确定度的影响,研制了一种在三维测量方向上同时符合阿贝原则的纳米CMM工作台。该工作台做三维运动,x导轨和y导轨采用共平面结构;工作台三维测量系统的测量线正交于一点且正交点与测头中心点重合,x向和y向测量系统的测量线与xy导轨面共面。针对本工作台的特点,在参考常规三坐标测量机误差分析的基础上,详细分析了该工作台中各项误差的影响,给出了影响测量机不确定度的主要误差源,并对这些误差提出了修正方法。在研制的工作台上对一等量块进行了实验测试。结果显示,一等量块工作面的平面度测量标准差为11nm,台阶高度标准差为21nm,其中台阶高度测量平均值与检定值相差1nm。理论分析和实验结果表明,所研制的工作台从结构上避免了CMM中多项误差源的影响,尤其是避免了阿贝误差的影响,可用于高精度的三维测量。

新型纳米三坐标测量机误差检定方法的研究

以三光束平面镜微型激光干涉仪作为高精度的标准量,研究新型纳米三坐标测量机的误差检定方法,设计相应的激光头姿态调节架和目标靶镜,组建一套适用于其的误差检定系统,分四次即可实现对测量精度影响较大的11项单项误差进行相对高精度、便捷、同步地检定。以LabVIEW作为软件开发平台,基于三次样条插值算法,编写对单项误差的采样数据进行插值计算的应用程序,以求得单项误差在量程范围内任意位置的值。

新型纳米三坐标测量机主体结构设计

在分析现有纳米三坐标测量机主体结构的基础上,提出了一种新型的四面对称式桥架结构,并利用ANSYS对主体结构进行分析与对比,从而证明了该结构的优越性。

微纳米三坐标测量机三轴垂直度误差测量及建模补偿

垂直度误差是微纳米三坐标测量机的重要误差源之一,必须对其进行高精度测量并建立垂直度误差的补偿模型。采用基于光电位置敏感器件(PSD)的测量装置,先将三轴垂直度误差转化成相应方向的直线度误差再对其进行测量,并对微纳米三坐标测量机的垂直度误差进行建模和补偿。通过对0级标准量块厚度进行测量和垂直度误差补偿,量块X、Y方向厚度测量误差分别减小了11μm和4μm,验证了垂直度误差测量方法和补偿模型的有效性。

纳米三坐标测量机不确定度分析与精度设计

利用现代精度设计理念设计纳米三坐标测量机的结构,选用高精度的零部件进行组装,解决了传统阿贝误差问题,通过研究现代精度保障理论和技术,进行纳米级水平的误差源全面分析,推导各个不确定度分量的计算公式,根据给定的精度指标设计合理的精度,提出所需检定仪器的具体技术指标,精度设计的结果满足了纳米三坐标测量机的测量精度要求.

新型纳米三坐标测量机结构的动态特性分析

主要分析了新型纳米三坐标测量机主体结构的动态特性,包括结构的振动特性以及结构的振动响应,其目的是为分析和评定纳米测量机的动态精度做准备.通过建立振动模型并利用ANSYS对此结构进行模态分析以及谐响应分析,从而得到此结构的固有频率、振型以及在纳米电机的激励下结构的位移、应力.同时对龙门式和拱形式测量机结构进行了动态分析与对比,从而证明了这种新型四面对称式桥架在保证纳米三坐标动态测量精度上的优越性.