我国几何量精密测量领域创新成果——三维微纳米接触式探头技术及应用

我国几何量精密测量领域创新成果——三维微纳米接触式探头技术及应用

三维微纳米接触式探头技术及应用

科技要发展，计量需先行。高端装备的制造离不开高精度测量。近年来，随着超精密加工与制造技术的飞速发展，越来越多的结构复杂、具有高深宽比特征的微器件被广泛应用于集成电路、航空航天、国防军事、医疗器械、生物工程、卫星通讯以及新能源等高端装备领域。如图1所示的极紫外光刻掩膜板、航空发动机蜂窝密封件、微型齿轮、微型喷油嘴、微流控器件、微型硅基结构、深微孔、微槽以及微型电极等精密元器件，其几何尺寸可低至微米级别，精度要求高的要达到纳米级别。为保障这些器件的质量，需要对其进行三维超精密测量。由于这些精密器件精度要求高、形状复杂，多具有高深/宽比特征，常规测量方法难以满足需求，团队致力于研制兼具大行程、高精度、小测力、微测球等特点的三维微纳米接触式探头系统。

图1 高深宽比微器件（图片来自于文献或网络）

接触式三维微纳米探头

探头组成和原理

探头主要由传感器、弹性机构和探针（测球测杆）三部分组成。当探针受到触碰时，作用在测球上的力经测杆传递给弹性机构，弹性机构随之发生弹性变形，固定在弹性机构上的反射镜亦产生位移或偏角，如此即可将测球在三维空间上的位移转化为反射镜的位移或者角度变化并由传感器测出。团队常用的光学传感器包括共聚焦、激光准直、激光自准直、激光干涉等。

图2 探头工作原理示意图

弹性机构设计

弹性机构的性能直接影响探头的灵敏度、重复性、量程、稳定性等关键指标，决定了接触式探头的准确性和适用性。弹性机构主要包括弹性元件与悬浮机构。

弹性机构需要保持较低的刚度，以确保探头具有足够高的灵敏度和分辨力，并避免因测力过大而导致测球或被测件的损伤。在低刚度的条件下，还需要同时满足各向同性好、行程大、固有频率高、重复性和稳定性好等要求。需要建模、仿真和优化。

图3 弹性机构的受力分析图

图4 两种弹性机构的静力学仿真结果

弹性元件的加工精度会严重影响其性能。线切割或激光切割都难以满足要求。团队采用化学蚀刻的方法，实现了复杂形状簧片的高精度可控制备。

图 5 四种不同形状的弹性簧片

微球形钨探针可控制备技术

当施加脉冲高电压时，电极之间的气体被击穿，并在极短时间内转化为热等离子体，产生弧光。阴极钨丝在高温下熔化，在表面张力作用下形成钨球。当放电停止时，熔融状态的钨球迅速凝固形成一体式微球形钨探针。

图 6 微球形钨探针制备原理示意图

钨探针的主要指标包括测球直径、测球圆度和偏心距，同时受到放电电压、放电时间、放电频率、电极间距等多个因素的影响。作者团队通过建模、仿真和实验等多种手段，探索其中的规律和最佳工艺参数，实现了微球形钨探针的可控制备，可以制造出直径在30~130 μm、圆度和偏心均优于1 μm的微球形钨探针。

图 7 微球形钨探针的SEM照片

于2021年7月在中国计量科学研究院对微球形钨探针的特征参数进行了测试，结果表明：球径小于100 μm，圆度和偏心距均优于1 μm。

图 8 微球形钨探针第三方测试结果

图 9 测试团队在中国计量科学研究院留影

接触式探头系统的设计与开发

作者团队在重大国际合作项目、国家“863”计划重点项目、国家重点研发计划项目及多个国家自然基金项目的支持下，自主研制了多款三维微纳米接触式探头（见表1）。针对研制过程中出现的量程小、精度低、分辨力低、探头横向尺寸大、稳定性差等问题，提出以激光传感器代替共焦传感器、以簧片代替悬线、以碳化钨代替光纤等多种优化方法，攻克了兼具大量程、高精度、小测力、微测球等特性探头的设计方法与技术。

测试和应用

智能识别、导引技术

当测量横向尺寸低至100 m的深孔或深槽等微特征时，靠肉眼很难将测球准确移动到待测位置。为此，作者团队研发了智能识别、导引技术与系统，并建立了诸如深孔、弧面、沟槽和凸台等特征工件的智能识别和测量模型，可以实现自动识别特征并规划测量路径，自动将测球快速准确移动到起始测量点。视觉导引系统的总体框架如图10（a）所示。系统主要由两个工业相机、配套的光学支架、一个环形光源和智能测量软件组成。图10（b）为智能识别、导引测量的照片。

（a）智能导引系统示意图

（b）智能识别、导引测量照片

图10智能导引技术

典型应用

如图11所示，将探头安装在自研的微纳米三坐标测量机上，对一标称直径为100 m、深度为500 m的微孔进行测量。实验过程中，首先通过智能导引系统将钨球探针置于微孔中心位置（测球与微孔上表面处于临界接触），然后自动对孔深和孔径进行了测量。

图 11 微纳米三坐标测量机照片

图 12 钨探针和被测微孔照片

微孔深度10次测量的平均值为493.986 m，测量重复性为83 nm。将探针移入微孔内选择一截面进行孔径测量，在选取的截面均匀采集8个点进行测量。微孔孔径的测量均值为97.861 m，测量重复性为85 nm（如图13所示）。

图 13 微孔孔径测量结果

又对一个标称宽度为 100 m 的凹槽进行了10次测量，如图 14 所示。该凹槽的平均宽度为98.038 m，测量重复性为93 nm。

图 14 凹槽和探针照片

合肥工业大学纳米测量实验室简介

该实验室成立于2002年，由国际制造工程学会会士（SME Follow）和国际纳米制造学会会士范光照教授创办。实验室主要开展微纳米三坐标测量机及其相关技术研究。研究内容涉及仪器系统设计、光学测量、图像处理、力学和热学分析、基于DSP和FPGA的信号处理、精密定位控制、精密环境控制、微球形探针制备与测量、压电驱动、振动测量、超声检测、系统动态特性分析、误差分析与系统优化设计、不确定度评定、智能化测量等方面。

实验室先后主持重大国际合作项目1项、国家重点研发计划课题1项、国家重点研发计划子课题3项、国家自然科学基金项目7项、省部级及企业项目若干项。实验室共发表高水平学术论文100余篇，已授权发明专利40余项（含美国专利2项）。

实验室先后成功研制了微纳米三坐标测量机、接触式探头、非接触式探头、水平仪、激光多自由度测量系统、平行度测量系统、高精度二维测角仪、激光干涉仪、高精度恒温箱、加速度计等多套高精度测量系统。实验室已毕业博士10余名、硕士50余名，在读博士和硕士30余名。