[发明专利]微纳米三坐标测量机接触式扫描探头

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米测试领域，更具体的说是一种应用在纳米三坐标测量机上的接触扫描 式三维探头，用于感测物体表面的三维形貌。

背景技术

近年来，微电子技术的快速发展引发了一场微小型化的革命，尤其是微机电系统MEMS 器件的加工技术的发展，出现了各种微纳米级的微小器件，如微齿轮、微型孔，微型喷嘴， 微型台阶等MEMS产品。这些微器件的加工精度处于微纳米量级，要对这些微器件进行精密 测量，就要发展特殊的高精度检测方法与技术手段。为此各国相关机构都致力于研究具有纳 米级精度的三坐标测量机。

三坐标测量机在模具行业中的应用相当广泛，它是一种设计开发、检测、统计分析的现 代化的智能工具，更是模具产品无与伦比的质量技术保障的有效工具。目前主要使用的三坐 标测量机有桥式测量机、龙门式测量机、水平臂式测量机和便携式测量机。测量方式大致可 分为接触式与非接触式两种。

三坐标测量机的探头部分是三坐标测量机的核心部件之一，探头的测量精度直接决定三 坐标测量机的总体测量精度。探头有接触式和非接触式之分，接触式探头可以用来测量非接 触式探头所不能测量的具有斜面、台阶、深孔、圆弧等特征的工件。

现有技术中的接触式探头主要有：原子力探头、电容式探头、光纤探头、DVD探头、微 触觉探头、共焦式探头等。现有探头需要集成二至四个高精度传感器，存在着结构复杂、装 调难度大、成本高的问题。比如荷兰Eindhoven大学开发的基于应变计的三维微接触式传感 测头，是将应变计、电路以及弹性元件通过沉淀、制版、刻蚀等工艺后共同制作成整体结构， 测头各个方向的力和位移的变化通过装在敏感粱上的应变计进行检测，其体积较小，但应变 片的检测灵敏度和精度都比较低，并且其测头采用三角形拓扑结构，解耦复杂。瑞士联邦计 量检定局METAS开发的电磁式微接触式测头，测头具有三个方向的自由度，每个方向的检测 都采用电感来实现，三个方向的测力相同，结构主要由铝制成，电磁式测头的测量范围较大， 横向检测灵敏度较高且接触力较小，但其结构相当复杂、装调困难，且采用三角形悬挂结构， 解耦复杂。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种微纳米三坐标测量机接触式 扫描探头，以期获得高精度、高灵敏度和小测力的探测效果，同时具有高稳定性、低成本的 优势。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明微纳米三坐标测量机接触式扫描探头的结构特点：

由圆筒体和承接在圆筒体的底部的呈圆台体的底座构成探头壳体，在所述探头壳体中设 置测头单元和测量单元；

所述测头单元是在底座的底座内腔中设置呈“十”字的悬浮片，在所述悬浮片的顶面、 处相邻悬臂之间的夹角处分别连接有悬臂簧片，所述悬臂簧片的另一端连接在底座的顶部圆 环形端面上，形成悬浮片在底座的内腔中的悬浮结构；在所述悬浮片的中心通孔中固定安装 带有红宝石测球的探针，所述探针自底座的底部端口中探出，并且能够不受底座的底部端口 的干扰而摆动；

所述测量单元是设置在所述悬浮片的各悬臂上的电容传感器；令：所述悬浮片中呈“十” 字的各悬臂在沿顺时针方向依次为第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂，则：处在所 述第一悬臂和第二悬臂上的电容传感器是在悬臂远端的上表面；处在第三悬臂和第四悬臂上 的电容传感器是在悬臂远端的下表面。

本发明微纳米三坐标测量机接触式扫描探头的结构特点也在于：在所述圆筒体的内腔中 以隔板相间形成上腔和下腔，用于传输所述电容传感器的输出信号的电路板置于上腔中，并 利用立柱固定设置在隔板上；在所述隔板的中央设置有穿线通孔，连接在电路板和电容传感 器之间的连接线在所述穿线通孔中贯穿；所述下腔与所述底座内腔)相连通。

本发明微纳米三坐标测量机接触式扫描探头的结构特点也在于：针对设置在第一悬臂、 第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂上的各电容传感器的输出信号设置差动电容式传感器。

本发明微纳米三坐标测量机接触式扫描探头的结构特点也在于：在所述底座的外侧壁 上，对应于各悬臂簧片的连接位置设置平面铣槽，并在所述平面铣槽中设置通孔，利用通孔 和螺钉在底座、悬臂簧片以及圆筒体之间进行固定连接。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用电容传感器进行感测，较之应变式、压阻式和电感式传感器可以获得更 高的灵敏度和精度，动态响应快。