振动接触式3D纳米测头触发机理及应用研究

随着微细加工技术的快速发展，产品微型化是今后制造业发展越来越重要的一个趋势，但几何特征尺寸介于数百微米至数毫米之间的微型机械和MEMS器件等的真三维几何形状测量问题是目前世界各国有待解决的测量科学难题。有别于现有三维纳米触发定位方法和技术，本项目拟从新的角度出发，基于谐振敏感元件谐振参数对外力极其敏感的特性，通过检测敏感器件的谐振参数（谐振振幅、谐振频率/相位）变化，在三维方向上实现对nN～μN量级的微力检测，进而以微力信号作为触发信号实现测头的三维纳米触发定位。理论研究上，本项目拟基于微测头表面原子与试样表面原子间的力作用关系，通过理论分析、建模仿真和实验验证，系统地建成一类基于谐振振动触发的、新的三维纳米触发定位方法和技术；实验研究上，将以PVDF压电薄膜和一体化微探头为主体构建分辨率1纳米、重复性10纳米的三维纳米测头，并以该测头为实验对象，研究谐振振动触发三维纳米测头的评定方法。

本项目提出了一种新的三纳米维谐振触发方法，基于该方法研制了三维纳米谐振触发测头及三维纳米谐振触发测量与定位系统，可实现对微内孔试样的高分辨力三维触发测量。完成的主要研究工作和成果总结如下：. 1）分析了三维纳米谐振触发测头触发机理并建立了数学建模。从界面力学的角度分析了三维谐振触发测头的动态接触机理，分别构建了X（Y）、Z向测球-试样表面纳米接触相互作用的力学模型，并对建立的力学模型进行了数学仿真。. 2）研制了三维纳米谐振触发测头并进行了优化。基于光纤拉锥技术和田口法二级烧制制备光纤微球，分别以PVDF、石英音叉为微力传感器相结合，利用其谐振参数（谐振振幅、谐振频率/谐振相位）对微力的高敏感性构建了三维谐振触发测头。. 3）研制了三维纳米谐振触发测量与定位系统，并进行了控制方法和技术研究。分别将基于PVDF、石英音叉的三维谐振触发测头与三维纳米定位台、反馈控制模块、信号处理电路结合，构成三维谐振触发测量与定位系统。. 4）研究了用于三维纳米测量的瞄准与导向技术级系统。利用空间对称布置的3个USB高倍摄像机对测头做3D检测，通过对测头图像匹配、高斯滤波、清晰度评价、极点搜索等算法，迅速找到目标图像的最清晰位置，从而实现自动瞄准与导向。. 5）利用宏/微双驱动技术的工作原理，提出面向纳米定位的跨尺度多维工作台系统控制和定位方案，从而使工作台在大行程工作范围内实现快速运动控制和微米量级定位、在目标区域实现低速但精确定位的运动控制和纳米定位。. 6）实现了三维纳米谐振测头性能评定和评定指标。分别对测头系统噪声水平、灵敏度、触发分辨力、重复性等特性测试分析，系统在X、Y、Z三个方向的触发分辨力均达到亚纳米量级、单向重复性误差均在纳米量级。通过对系统圆周接近曲线等特性测试，得到系统的各向分辨力均在纳米/亚纳米量级、单点触发重复性偏差、单向重复性误差为纳米量级。通过对标准量块组研合成的标准内尺寸进行八个方向上的定向标定测试。根据所获得的等效直径，利用本项目所提出的方法和研制的系统，有效的实现了微内孔试样的直径和圆度测量。