MEMS壓阻式三維微觸覺測頭及其在納米測量機(jī)上的應(yīng)用研究.pdf

1、本文針對微小結(jié)構(gòu)和器件對大范圍、高精度的坐標(biāo)測量方法和裝置的需求，研究了一種基于壓阻檢測原理的MEMS三維微觸覺式測頭，并基于納米測量機(jī)(NMM)構(gòu)建了相應(yīng)的幾何量測量系統(tǒng)。論文完成了以下主要工作： 1.設(shè)計(jì)了一種采用由測桿和懸掛系統(tǒng)組成的壓阻式微觸覺測頭，并基于結(jié)構(gòu)矩陣分析和材料力學(xué)原理，創(chuàng)建了測頭的力學(xué)分析模型。計(jì)算了測頭的整體剛度、敏感梁的應(yīng)力分布、測頭靈敏度、變形范圍和線性范圍等參數(shù)，建立了測端位移與壓阻敏感單元應(yīng)力變化

2、之間的對應(yīng)關(guān)系；研究了測量過程中測頭和樣品之間靜態(tài)力、動態(tài)力等受測頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和坐標(biāo)測量機(jī)運(yùn)動參數(shù)的影響機(jī)理；同時(shí)建立了測頭壓阻敏感單元的三維檢測模型，分析了敏感梁的應(yīng)力分布狀況，確定了壓阻單元的敏感方向、類型、壓阻數(shù)目、網(wǎng)絡(luò)排布方式和結(jié)構(gòu)尺寸。 2.建立了測頭有限元仿真模型并進(jìn)行測頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。模擬計(jì)算了測頭的應(yīng)力分布、剛度、機(jī)械強(qiáng)度、疲勞極限、共振頻率等性能參數(shù)，選擇合適的測頭懸掛系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和測桿結(jié)構(gòu)，并在工藝實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，

3、創(chuàng)新性地提出了微尺度下的測桿與中心連接體的定位和對準(zhǔn)方法和裝置，實(shí)現(xiàn)了測頭各單元之間的精密裝配；基于測頭力學(xué)模型確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的大概范圍，根據(jù)測頭的梁、中心連接體、測桿等結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能影響程度，選擇了測頭各單元最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)；基于理論分析的結(jié)論，與優(yōu)化參數(shù)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了的比對和驗(yàn)證。 3.研究了微觸覺測頭的工藝加工技術(shù)。設(shè)計(jì)了測頭懸掛系統(tǒng)的MEMS版圖，研究了加工過程中有關(guān)壓阻、凸角補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵工藝，制定工藝流程，并與北大

4、微電子所合作加工了測頭懸掛系統(tǒng)；基于超精密加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了測桿及其頂端觸覺小球的制造，并根據(jù)NMM對測頭工作空間的要求，研究測頭的封裝方式和固定方法，實(shí)現(xiàn)和外圍處理電路的電連接。 4.開展了微觸覺測頭的性能測試。首次創(chuàng)建了基于NMM的微觸覺測頭的性能測試系統(tǒng)，研究了壓阻檢測電橋輸出微弱電信號的濾波、放大等方法，設(shè)計(jì)了壓阻信號采集調(diào)理電路中及相應(yīng)的軟件功能模塊；開展了對測頭的線性、靈敏度、遲滯、和耦合特性的測試；利用精密壓電陶瓷驅(qū)