[发明专利]一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，其用途是作位 移量的精密测量，可用于机械、材料、电子、生物、仪器仪表等技术领域。

背景技术

随着制造技术向着微观及高精度方向的发展，纳米测量技术及纳米加工 技术已迅速发展。目前，纳米测量主要有①扫描隧道显微镜(STM)、原子力 显微镜(AFM)测量；②X射线干涉仪测量；③法布里-珀罗标准具测微系统 以及各类光学纳米测量等测量方法。扫描隧道显微镜在探针与被测工件之间 加上偏置电压，当探针与工件间的间隙小于5纳米时产生隧道效应，流过这 一间隙的电流对间隙大小十分敏感，保持隧道电流恒定或保持间隙恒定，通 过三维压电陶瓷驱动，可获得物体表面三维尺寸和轮廓形状。这种方法可获 0.01nm的垂直方向分辨率和0.1nm的水平方向分辨率。X射线干涉仪是通过 X射线照射硅晶片产生衍射来进行测量，由于硅的晶格间距很稳定，约为 0.2nm，可实现纳米精度测量。法布里-珀罗标准具测微系统结构复杂，具有很 高的分辩率，可达2.1×10^-8nm。德国Heidenhain公司已研制生产出了具有纳 米分辨率的光栅尺，其分辨率为：2nm，最大量程为：20mm。

以上测量方法虽都可以进行纳米或纳米精度的测量，但有一个共同的弱 点，就是这些纳米测量技术均是非接触式测量，在大多数情况下，不能直接 用于机械、电子等零件的测量或机械位移的测量。因此，发明一种接触式的 纳米位移传感器，对于机械、电子等零件或机械位移的测量具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有纳米测量技术中均是非接触式测量不足 之处，为纳米测量和纳米加工等纳米技术提供一种接触式的纳米位移传感器。

本发明的技术方案可以通过以下措施来达到：

一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，包括被测物体和绝缘外壳， 其特征在于：在所述被测物体周围设置测头，测头上端连接在导杆上，石墨 块设置在导杆的上面，微进给机构作用时能驱动测头移动；在石墨块的上方， 设置探针，探针连接在压电陶瓷管上，压电陶瓷管与压电陶瓷驱动器连接， 探针在压电陶瓷驱动器动作下伸长或收缩，石墨块与探针构成隧道效应，在 偏压电路中形成隧道电流；信号采集系统连接在偏压电路中，信号采集系统 采集偏压电路中的隧道电流信号，经信号处理系统处理后输送入压电陶瓷驱 动器内，作为压电陶瓷驱动器的反馈驱动信号，控制压电陶瓷驱动器产生动 作。

进一步的特征是：微进给机构驱动测头与被测物体接触后，微进给机构 继续进给，测头在被测物体的作用下通过导杆推动石墨块靠近探针，进入隧 道效应状态。

由复位弹簧构成弹簧减震，再通过弱磁性永久磁铁环构成磁性阻尼减振。

本发明应用隧道效应构成纳米位移传感器，探针安装在经过精密标定的 压电陶瓷管上，石墨块安装在测头上端，在探针与石墨块之间构成偏压电路， 当探针与石墨块之间的距离达到几纳米时，偏压电路产生隧道电流，根据隧 道效应，隧道电流：I＝V_oexp(-d)，隧道电流与探针与石墨块之间的距离成指数 函数，测出隧道电流的I，就可以算出探针与石墨块之间的距离d。在非工作 状态时，探针与石墨块之间的距离约为3-5μm，测量时通过微进给机构使传感 器缓慢接近被测物体，当传感器的测头与被测物体接触时，微进给机构继续 进给推动测头上端的石墨块向探针靠近，直到测头上端的石墨块与探针之间 的距离达到产生隧道效应时，微进给机构停止工作，传感器进入测量状态。 本发明采用恒电流工作方式进行测量，通过微进给机构调整探针与石墨块之 间的距离，将隧道电流设定为一恒定值，当被测物体的位置发生极其微小的 变化时，探针与石墨块之间的距离发生同样大小的变化，隧道电流随之发生 改变偏离设定值，用隧道电流的变化量反馈控制加在压电陶瓷管上的驱动电 压，使压电陶瓷管伸长或收缩，保持探针与石墨块之间的距离恒定，从而使 隧道电流保持在设定值，记录下压电陶瓷上的驱动电压值就可以测算出物体 的微小位移量。

本发明的基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，是一种接触式的纳米 位移传感器，能够测量相互接触零件之间细微到纳米级位移的变化，对于机 械、电子等零件或机械位移的测量具有重要的意义。本发明的传感器，易于 操作和控制、测量精度高。在本发明的基于隧道效应的接触式纳米位移传感 器的基础上，可以构建纳米圆度测量系统等纳米测量系统。