纳米坐标测量机的三维接触式测头机构

　　近年来微电子机械器件的制造得到快速发展，这些器件的几何特征尺寸介于数微米到数毫米之间. 要保证微电子机械器件的加工质量，就要有相应的检测技术和手段. 传统商用高精密测量设备，如原子力显微镜、扫描隧道显微镜等，常用于二维形貌连续扫描测量，不易测量微器件的三维特征，真正的三维测量还是要用三坐标测量机. 由于商用三坐标测量机的测量精度不高，测量力太大，容易造成被测件的变形，故也不能用于微纳米器件的质量控制. 因此，研制具有纳米级测量精度的纳米三坐标测量机和高精度三维测头是高精度测量技术研究领域的热点问题. 近年来国内外已有相关研究单位研制出体积小、精度高、具有纳米级( 1 ～100 nm) 的三坐标测量装置，如美国国家标准技术院于 1987 年开始在 Teague 博士的带领下研制的分子测量机[1]，德国联邦物理技术研究院研制的特殊三坐标机[2]，荷兰 Eindhoven 大学研制的硅基纳米坐标测量探头[3]，英国国家物理实验室研制的小型三坐标测量机和基于电容传感器的碳化钨 Si 基探头[4]，日本大阪大学研制的纳米三坐标测量机和激光捕获式纳米测头[5-6]，合肥工业大学研制的纳米三坐标测量机[7]等，其中大多属于国家级研究单位或著名大学的研究项目，很多仍处于研究开发阶段，且研制成本较高.

　　布拉格光纤光栅( fiber Bragg grating，FBG) 属于一种光纤传感器件，其灵敏度很高，输出线性范围宽，且传感探头结构简单、尺寸小，特别适合于微小尺寸的而不受光源强度、接头损失、光程损失因素的影响; 另外，FBG 对环境干扰不敏感，能有效避免电磁场的干扰，这是一般电学传感器所无法比拟的. 目前，其应用领域主要集中在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及坝等工程结构的应变和温度监测方面[8-9]. 对于将FBG 传感元件应用于纳米三坐标测量中，目前国内外还鲜有报道.

　　本研究的目的是开发较低成本的基于 FBG 敏感元件的纳米级三维接触触发式测头，用于小型纳米三坐标测量机中，以实现对微电子、微机械器件的高精度测量.

　　1 FBG 应变传感原理

　　当 FBG 受到轴向的拉伸或压缩变形时，其内部将产生的微应变的变化量为

式中: l 为 FBG 的原始长度; Δl 为 FBG 拉伸或压缩时的长度变化量.

　　在应变测量系统中，当温度不变时，FBG 的有效折射率和光栅周期的大小随着应变的变化而改变，从而导致 FBG 的反射波长发生漂移，漂移量为

　　式中: λB为 FBG 中心波长; neff为有效折射率; ρij为弹光系数; υ 为纤心材料泊松系数.通过 FBG 解调系统检测出 FBG 的中心波长漂移量 ΔλB，即可得到 FBG 微应变的变化量 Δε，进而测得FBG 轴向拉伸或压缩变形量 Δl.