基于MEMS微触觉测头和纳米测量机的特征尺寸测量

　　近些年微加工技术的发展对器件、结构的特征几何量测量和表征提出了更高的要求, 而以三坐标测量机为代表的传统测量方法通常会受到测量精度和分辨力的限制, 而原子力显微镜等纳米级的测量仪器会受到测量对象和测量范围的限制, 所以, 针对微米量级器件和结构测量的方法和装置是当前高精度测量领域的一个研究热点[ 1] 。主要的研究工作集中在微坐标测量机及与之配套的测头的研究上[ 2-3] ,以实现对器件和结构精确的尺寸测量, 以及结构的表面形貌表征。

　　本文通过将一种自主开发的MEMS 微触觉测头[ 4] 与纳米测量机( Nanomeasuring machine,NMM) [ 5] 相结合, 构建了高精度的几何量测量平台。在验证测头输出性能的基础上, 开展一系列判断测头测量分辨力和精度的实验, 包括轴向、同向横向、异向横向三个方向的尺寸测量, 以及对表面形貌的扫描实验。

　　1 微触觉测头的工作原理

　　如图1 所示, 三维MEMS 微触觉测头由测杆、悬挂系统、封装结构、连接结构几部分组成。测头在进行测量的过程中, 测杆用来将检测到的位移变化传递到悬挂系统中, 悬挂系统的敏感梁发生弯曲, 并通过表面扩散的压阻检测应力的变化。通过惠斯通电桥及后续放大调理电路处理, 输出与被测几何量成正比的电压信号, 从而实现对微位移或微力的高精度检测[ 6] 。其中测头的测杆和测端采用超精密加工技术制成。中心连接体和敏感梁构成的悬挂系统采用标准MEMS 体硅工艺加工。

　　2 测量系统的构建

　　三维尺寸测量系统采用了纳米测量机( NMM)作为高精度的定位和测量平台, NMM 通过x 、y 、z方向测量轴上的3 个激光干涉仪对定位过程进行实时测量[ 7] , 在25 mm x 25 mm x 5 mm 范围内实现分辨力为0. 1 nm 的三维定位功能。NMM 可以通过特定的接口与微触觉测头的硬件和软件连接和通讯。

　　在微触觉测头与NMM 的安装过程中, 需要注意NMM 使用了零膨胀玻璃Zerodur 作为测头的支撑框架, 为了进一步减少测头对温度的敏感程度。测头的相关连接部件也使用了膨胀系数较少的Fe-N i36 合金( 铟钢) 和铝, 同时也减小了测头的重量。测头与NMM 的连接除了需要遵从A bbe 原则外,也需要考虑NMM 的预留空间, 如图2 所示。

　　考虑到NMM 的固定结构和测试平台之间狭小的空间, 整个测头的体积应该限制在40 mm x40 mm x 12 mm 的范围内。测头架应该方便与测量机的连接和拆装; 同时能够引出电路板上的导线;采用热膨胀系数小的材料加工等。基于以上的要求, 设计的连接结构实物照片如图3 所示。