【基于微力测量的微纳米测头系统设计及优化】温度测量与控制系统设计

　　摘 要：针对国内外研制的微纳米测头测量时无法实时测量测力的大小和方向，无法实时修正不同方向和大小的测力、不同长度测杆受力变形等引起的测量误差的缺点，研制了一种基于六维微力测量原理的自修正微纳米测头系统，可以实时测量测力的大小和方向，进而获得测头位移和变形量的大小和方向，计算出由于测球测杆受力变形引起的测量误差，通过误差修正模型进行实时自修正，提高测头的测量精度。为了实现测头级的测量灵敏度，应用ANSYS软件和正交试验方法进行结构优化设计，确定测头的基本几何尺寸和测头弹性体上测量不同方向测力的最佳测量区域，为后续的测头加工提供理论基础。最终的分析结果证明了测头x和y方向的测量灵敏度可以达到25.5 με，z方向的测量灵敏度可以达到11.7 με。
　　关键词：微纳米测头；自修正；有限元；优化设计；测量灵敏度
　　中图分类号：TH721文献标识码：A
　　文章编号：1672-1098(2012)02-0013-05
　　收稿日期：2012-04-09
　　作者简介：杨洪涛（1972-），男，福建莆田人，教授，博士，研究方向为精密测试技术、现代精度理论及应用。
　　Optimal Design of Micro-nano Probe System Based on Micro-force Measurement
　　YANG Hong-tao，CAI Chun-mei， ZHANG Wei，ZHANG Jing.
　　(School of Mechanical Engineering，Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
　　Abstract:The present developed micro-nano probe can not measure force magnitude and direction in real time so that the measurement error caused by the different direction measurement force and the deformation of different length measuring rod can not be corrected in real time. In order to solve this problem, a new self-correction micro-nano probe system was developed based on six-dimensional micro-force measuring principle. It can measure the real time magnitude and direction of the measurement force and the deformation, calculate out the measurement error caused by the measuring rod stress and deformation, and correct the measurement error in real time by building the error correction model. In order to reach the mN level probe measurement sensitivity, the structural optimization design was done by using ANSYS software and orthogonal test method. The geometry of probe and the optimal measurement area in elastic body were determined, which provided the theoretical basis for the following probe processing. The analysis result proves that the probe measurement sensitivity can reach 25.5 με/mN in x and y direction, and can reach 11.7 με/mN in z direction.
　　Key words:Micro-nano probe; self-correction; finite element; optimal design; measurement sensitivity
　　应用于纳米三坐标测量机的微纳米测量探头的研究是国内外许多著名研究机构的研究热点之一。文献［1］研制的Small CMM和基于电容传感器的3D测头，测量范围20 μm，分辨率3 nm，探头直径0.5 mm或1 mm，重量350 mg、测量力0.2 mN；文献［2］研究的光纤接触式3D测头，是在其同类型商业化二维测头的基础上开发而成，探球尺寸25 μm，接触力小于1 μN；文献［3］研制了一种基于MEMS工艺的硅微三维测头，测头由硅膜和测杆组成，当测杆的端部受到外力作用的时候，导致硅膜变形，通过硅膜上的压阻变化检测出测头端部的位移和力的大小；文献［4-5］开发了一种基于应变计的三维微接触式传感测头，校准范围30 μm，不确定度10 nm， 分辨率1 nm；文献［6］研究的基于激光捕获技术的测头系统，是以一个受到光辐射力而悬浮的电介质小球作为敏感测头来检测微小接触力的测头系统；文献［7］通过改造CD播放器读数头的信号处理单元，得到了一种基于聚焦检测技术的高精度光学探针，测头在10 μm的测量范围内，线性误差为1％，标准偏差为34 nm。但目前国内外研制的各种测头在测量时，大都无法实时测量测力的大小和方向。对于不同方向和大小的测力、不同长度测杆、测球受力变形等引起的误差无法实时修正，因此有必要对具有误差自修正功能的微纳米测头进行近一步的研究。