專利名稱：一種用于微納米幾何量測(cè)量的陣列式測(cè)頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種超精密尺度測(cè)量工具，特別是公開(kāi)一種用于微納米幾何量測(cè)量的陣列式測(cè)頭，屬于微納米幾何量測(cè)量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
納米測(cè)量技術(shù)在納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展中具有非常核心的地位，因?yàn)榧{米科技的各個(gè)領(lǐng)域都涉及到納米尺度物質(zhì)的形態(tài)，成分，結(jié)構(gòu)以及物理和化學(xué)性能(功能)的測(cè)量和表征。納米測(cè)量技術(shù)隨著納米科技的發(fā)展日益豐富而先進(jìn)，為推動(dòng)納米科技的發(fā)展與應(yīng)用提高可靠的技術(shù)保障。納米科技主要的測(cè)量工具有掃描隧道顯微鏡(STM)，原子力顯微鏡(AFM)，掃描電鏡(SEM)等掃描探針顯微鏡(SPM)以及各種光學(xué)干涉儀和光譜學(xué)分析手段等。近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)或一般實(shí)驗(yàn)室的納米測(cè)試儀器的校準(zhǔn)，誕生了帶有激光干涉儀的計(jì)量型原子力顯微鏡。為實(shí)現(xiàn)大范圍的納米測(cè)量，誕生了納米測(cè)量機(jī)，并且已經(jīng)產(chǎn)品化，其測(cè)量范圍可達(dá)25mm X 25mm X 5mm,可用原子力顯微鏡測(cè)頭或激光聚焦式測(cè)頭對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行微納米測(cè)量。但是，無(wú)論是原子力顯微鏡測(cè)頭還是激光聚焦式測(cè)頭，在測(cè)量被測(cè)工件尺寸時(shí)，都要從工件的一端繞到另一端，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，工作效率低下。而且，一旦測(cè)量過(guò)程中，測(cè)頭發(fā)生斷裂，折損等問(wèn)題，測(cè)量必須中止，前面的測(cè)量工作都白白浪費(fèi)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)頭的缺陷，提供一種用于微納米幾何量測(cè)量的測(cè)頭，是由網(wǎng)格狀多方孔基座和多個(gè)測(cè)頭組件構(gòu)成的陣列式測(cè)頭，可用于三維高精度位移平臺(tái)(如納米測(cè)量機(jī)等)，提高測(cè)量工作效率，增加冗余設(shè)計(jì)，提升測(cè)頭的工作性能。本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種用于微納米幾何量測(cè)量的陣列式測(cè)頭，由網(wǎng)格狀多方孔基座和多個(gè)測(cè)頭組件構(gòu)成，測(cè)頭組件包括測(cè)頭、測(cè)桿、懸掛結(jié)構(gòu)、傳感單元和電路板，測(cè)頭組件垂直凸出安裝在基座方孔上。所述的測(cè)頭組件為2個(gè)或2個(gè)以上的多個(gè)測(cè)頭組件，多個(gè)測(cè)頭組件安裝在基座上，方孔在基座上呈網(wǎng)格狀陣列式排列，陣列式測(cè)頭通過(guò)基座與三維高精度位移平臺(tái)的測(cè)頭連接結(jié)構(gòu)相聯(lián)接。所述的測(cè)頭組件是測(cè)頭連接測(cè)桿后粘接在懸掛結(jié)構(gòu)上，懸掛結(jié)構(gòu)粘接在電路板的中央，懸掛結(jié)構(gòu)采用微加工工藝，自帶將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感單元(如壓阻式、電容式等)，傳感單元通過(guò)導(dǎo)線將信號(hào)傳輸?shù)诫娐钒?，電路板起到信?hào)傳輸作用，將信號(hào)傳輸?shù)胶罄m(xù)信號(hào)調(diào)理和AD轉(zhuǎn)換電路板上，測(cè)頭組件通過(guò)電路板四角上的通孔用螺釘安裝在底座的連接基座上，連接基座在三維高精度位位移平臺(tái)上陣列式排列。所述的測(cè)頭組件根據(jù)被測(cè)工件尺寸在網(wǎng)格狀多方孔基座上選擇合適的方孔進(jìn)行安裝和固定，可通過(guò)選擇基座上不同位置的方孔調(diào)整各測(cè)頭組件間相互位置，各測(cè)頭組件可裝可拆。所述的各測(cè)頭組件的測(cè)頭通過(guò)校準(zhǔn)整合到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，在對(duì)工件測(cè)量時(shí)，先一個(gè)測(cè)頭接觸被測(cè)工件的一個(gè)端點(diǎn)，記錄該端點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將此測(cè)頭移開(kāi)，再用另外的一個(gè)測(cè)頭接觸被測(cè)工件的另一個(gè)端點(diǎn)，記錄另一端點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。[0007]本實(shí)用新型的有益效果是:能快速完成被測(cè)工件尺寸的精確測(cè)量，與單測(cè)頭相比，提高了工作效率，并增加了冗余設(shè)計(jì)。

圖1是本實(shí)用新型的測(cè)頭整體示意圖。圖2是本實(shí)用新型的陣列式測(cè)頭的網(wǎng)格狀多方孔基座。圖3是本實(shí)用新型的小型化的陣列式測(cè)頭的網(wǎng)格狀多方孔基座。圖4是本實(shí)用新型的陣列式測(cè)頭的電路板結(jié)構(gòu)圖。圖5是本實(shí)用新型的陣列式測(cè)頭的測(cè)頭組件示意圖。圖6是本實(shí)用新型的陣列式測(cè)頭用于測(cè)量工件內(nèi)部尺寸的工作示意圖。圖7是本實(shí)用新型的陣列式測(cè)頭用于測(cè)量工件外部尺寸的工作示意圖。在圖中:1、網(wǎng)格狀多方孔基座；2、通孔；3、電路板；4、懸掛結(jié)構(gòu)；5、測(cè)桿；
6、測(cè)頭；7、螺孔；8、方孔。
具體實(shí)施方式
根據(jù)附圖1，本實(shí)用新型一種用于微納米幾何量測(cè)量的陣列式測(cè)頭，由網(wǎng)格狀多方孔基座I和多個(gè)測(cè)頭組件構(gòu)成，測(cè)頭組件包括測(cè)頭6、測(cè)桿5、懸掛結(jié)構(gòu)4、傳感單元和電路板3，測(cè)頭組件垂直凸出安裝在基座I方孔上。該陣列式測(cè)頭通過(guò)網(wǎng)格狀多方孔基座I與三維高精度位移平臺(tái)上的測(cè)頭連接結(jié)構(gòu)相聯(lián)接，安裝在三維高精度位移平臺(tái)上?；鵌上每個(gè)方孔8的四角有螺孔7，用于安裝測(cè)頭組件。各個(gè)測(cè)頭6的測(cè)桿5粘接在懸掛結(jié)構(gòu)4上，懸掛結(jié)構(gòu)4自帶的傳感單元(如壓阻式、電容式等)將測(cè)頭6接觸工件時(shí)的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)诫娐钒?，電路板3起到信號(hào)傳輸作用，將信號(hào)再傳輸?shù)胶罄m(xù)信號(hào)調(diào)理和AD轉(zhuǎn)換電路板上。懸掛結(jié)構(gòu)4粘接在電路板3的中央，電路板3的四角設(shè)有通孔2，對(duì)應(yīng)基座I上方孔8四角的螺孔7位置，通過(guò)螺釘安裝到網(wǎng)格狀多方孔基座I上。根據(jù)被測(cè)工件尺寸，選取網(wǎng)格狀多方孔基座I上合適位置的方孔8來(lái)安裝多個(gè)測(cè)頭組件。通常情況下，安裝4個(gè)測(cè)頭組件。本實(shí)用新型陣列式測(cè)頭的基座1，設(shè)計(jì)為網(wǎng)格狀，如附圖2所示，方格8的行數(shù)和列數(shù)均大于1，并可以改變。每個(gè)方孔8都是獨(dú)立的，四角設(shè)有螺孔7，用于固定測(cè)頭組件。測(cè)頭組件可以插拔，安裝和拆卸較為方便，以便于更換測(cè)頭組件和調(diào)整各測(cè)頭6之間的相互位置，網(wǎng)格狀多方孔基座I材料具有較大的剛度，能夠承受多個(gè)測(cè)頭組件的重量，變形較小，對(duì)外界環(huán)境條件(如溫度和濕度)變化不敏感，使各測(cè)頭6固定后相互間位置保持固定不變，以減少測(cè)量誤差。同時(shí)，為了方便研究和使用，設(shè)計(jì)了如圖3所示的底座。由于通常情況下是用4個(gè)測(cè)頭6組建成陣列式多測(cè)頭開(kāi)展測(cè)量工作，所以該底座只有4個(gè)位置對(duì)稱的相同方孔，4個(gè)測(cè)頭6的位置是固定的，每個(gè)方格安裝I個(gè)測(cè)頭組件。電路板3如附圖4所示，其四角有通孔2，與基座I上的方孔8四角的螺孔7位置相對(duì)應(yīng)，利用螺釘與網(wǎng)格狀多方孔基座I聯(lián)接。其作用在于:一是通過(guò)導(dǎo)線與懸掛結(jié)構(gòu)上的傳感單元相連接，傳輸測(cè)頭感應(yīng)信號(hào)；二是粘接和固定懸掛結(jié)構(gòu)，與測(cè)頭、測(cè)桿、懸掛結(jié)構(gòu)和傳感單元共同構(gòu)成測(cè)頭組件；三是通過(guò)電路板使測(cè)頭組件與網(wǎng)格狀多方孔基座相聯(lián)接。測(cè)頭6，測(cè)桿5，懸掛結(jié)構(gòu)4、傳感單元和電路板3構(gòu)成一個(gè)測(cè)頭組件，如附圖5所示。測(cè)頭6與被測(cè)工件相接觸，測(cè)頭6受到的微力使測(cè)頭位置發(fā)生微小變化，通過(guò)測(cè)桿5將該變化傳遞到懸掛結(jié)構(gòu)4。懸掛結(jié)構(gòu)4的傳感單元可以是壓阻式、電容式、電感式等，從而將測(cè)頭6感知的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再利用電路板3將信號(hào)引出和傳輸。利用粘接的方法，將懸掛結(jié)構(gòu)4固定在電路板3上。測(cè)頭組件需要安裝在網(wǎng)格狀多方孔基座I上，因此，在電路板3的四個(gè)角上打通孔2，用螺釘與網(wǎng)格狀多方孔基座I固定。在電路板3上選取合適位置，焊接排針，可用導(dǎo)線將信號(hào)再傳輸?shù)胶罄m(xù)信號(hào)調(diào)理和AD轉(zhuǎn)換電路板上進(jìn)行后續(xù)處理。將被測(cè)工件置于4個(gè)測(cè)頭中間，測(cè)量工作方式示意圖如附圖6和附圖7所示。測(cè)量工作主要分為3步完成。首先，用其中一個(gè)測(cè)頭去靠近并接觸被測(cè)尺寸的一個(gè)端點(diǎn)，根據(jù)測(cè)頭的響應(yīng)信號(hào)，記錄該端點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)；然后，將此測(cè)頭移開(kāi)，再用另外的一個(gè)測(cè)頭接觸被測(cè)尺寸的另一個(gè)端點(diǎn)，記錄另一個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)；最后，利用測(cè)量控制軟件按照數(shù)學(xué)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出被測(cè)尺寸大小。當(dāng)測(cè)量工件內(nèi)部尺寸時(shí)，陣列式測(cè)頭選用基座上距離較近的方孔，使各測(cè)頭之間距離較短，工作示意圖如附圖6所示；當(dāng)測(cè)量工件外部尺寸時(shí)，陣列式測(cè)頭選用基座上距離較遠(yuǎn)的方孔，使各測(cè)頭之間距離較長(zhǎng)，工作示意圖如附圖7所示。當(dāng)測(cè)量過(guò)程中，某測(cè)頭出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，立即改成單測(cè)頭的工作方式，繼續(xù)完成測(cè)量，而對(duì)測(cè)量結(jié)果不產(chǎn)生負(fù)面影響。本實(shí)用新型有效提高了測(cè)量工作效率，增加冗余設(shè)計(jì)，提升測(cè)頭的工作性能。
權(quán)利要求1.一種用于微納米幾何量測(cè)量的陣列式測(cè)頭，由網(wǎng)格狀多方孔基座和多個(gè)測(cè)頭組件構(gòu)成，測(cè)頭組件包括測(cè)頭、測(cè)桿、懸掛結(jié)構(gòu)、傳感單元和電路板，測(cè)頭組件垂直凸出安裝在基座方孔上，其特征在于:所述的測(cè)頭組件為2個(gè)或2個(gè)以上的多個(gè)測(cè)頭組件，多個(gè)測(cè)頭組件安裝在基座上，方孔在基座上呈網(wǎng)格狀陣列式排列，陣列式測(cè)頭通過(guò)基座與三維高精度位移平臺(tái)的測(cè)頭連接結(jié)構(gòu)相聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微納米幾何量測(cè)量的陣列式測(cè)頭，其特征在于:所述的測(cè)頭組件是測(cè)頭連接測(cè)桿后粘接在懸掛結(jié)構(gòu)上，懸掛結(jié)構(gòu)粘接在電路板的中央，懸掛結(jié)構(gòu)采用微加工工藝，自帶將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感單元，有壓阻式和電容式，傳感單元通過(guò)導(dǎo)線將信號(hào)傳輸?shù)诫娐钒?，電路板起到信?hào)傳輸作用，將信號(hào)傳輸?shù)胶罄m(xù)信號(hào)調(diào)理和AD轉(zhuǎn)換電路板上，測(cè)頭組件通過(guò)電路板四角上的通孔用螺釘安裝在底座的連接基座上，連接基座在三維高精度位移平臺(tái)上陣列式排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微納米幾何量測(cè)量的陣列式測(cè)頭，其特征在于:所述的測(cè)頭組件根據(jù)被測(cè)工件尺寸在網(wǎng)格狀多方孔基座上選擇合適的方孔進(jìn)行安裝和固定，可通過(guò)選擇基座上不同位置的方孔調(diào)整各測(cè)頭組件間相互位置，各測(cè)頭組件為可拆卸式。
專利摘要本實(shí)用新型為一種用于微納米幾何量測(cè)量的陣列式測(cè)頭，由網(wǎng)格狀多方孔基座和多個(gè)測(cè)頭組件構(gòu)成。測(cè)頭組件包括測(cè)頭、測(cè)桿、懸掛結(jié)構(gòu)、傳感單元和電路板，測(cè)頭組件垂直凸出安裝在基座方孔上，方孔在基座上呈網(wǎng)格狀陣列式排列，陣列式測(cè)頭通過(guò)基座與三維高精度位移平臺(tái)的測(cè)頭連接結(jié)構(gòu)相聯(lián)接。根據(jù)被測(cè)工件尺寸，在網(wǎng)格狀多方孔基座上選擇合適的方孔安裝各測(cè)頭組件，各測(cè)頭組件可裝可拆。各測(cè)頭組件的測(cè)頭通過(guò)校準(zhǔn)整合到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，先用一個(gè)測(cè)頭接觸被測(cè)尺寸的一個(gè)端點(diǎn)，將此測(cè)頭移開(kāi)，再用另外的一個(gè)測(cè)頭接觸被測(cè)尺寸的另一個(gè)端點(diǎn)，可快速完成被測(cè)工件尺寸的精確測(cè)量。與單測(cè)頭相比，提高了工作效率，并增加了冗余設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)G01B7/00GK202974173SQ20122070974
公開(kāi)日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者王麗華, 李源, 吳俊杰, 雷李華, 范國(guó)芳, 蔡瀟雨, 毛辰飛 申請(qǐng)人:上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院