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石英音叉三维谐振触发定位系统

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第 34卷 第 10期2013年 10月仪 器 仪 表 学 报Chinese Journal of Scientific InstrumentVo1.34 No.100ct.2013石英音叉三维谐振触发定位系统余惠娟,黄强先,李志渤,史科迪,程真英(合肥丁业大学仪器科学与光电工程学院 合肥 230009)米摘 要 :为实现对微器件等 维测量时在三维方向上任意单点的高精度触发定位,提出一种新型 维谐振触发定位系统。以石英音叉作为微力传感器,与一体式光纤微测杆测球相结合 ,利用其谐振参数(谐振振幅 、谐振频率/谐振相位)对微力的高敏感性构建 维谐振触发测头。将该测头与i维纳米定位台、反馈控制模块、信号处理电路结合,分别构成完整的振幅反馈和相位反馈 维谐振触发定位系统。T作时驱动石英音又测头处于谐振状态 ,检测顶端测球与试样表面接触微力引起的振幅变化或频率变化。测头顶端测球与试样表面在 z向以轻敲模式接触,在 、l,向以摩擦模式接触。实验结果显示:系统在 、y、z 3个方向的触发分辨力分别达到0.17 Bin、0.20 nm、0.18 nm;三维重复性误差分别达到 37.0 nm、70.6 nm、41.0 Bin。实验结果验证了提 的三维谐振触发定位系统纳米量级精确定位的可行性和有效性。

关键词 :触发定位 ;石英音叉 ;谐振特性 ;三维谐振触发测头 ;纳米;三维谐振触发定位系统中图分类号:TH89 文献标识码 :A 国家标准学科分类代码:460.40Three—dimensional resonant trigger positioning system using quartz tuning forkYu Huijuan,Huang Qiangxian,Li Zhibo,Shi Kedi,Chen Zhenying(School of Instrument Science and###to—electronic Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)Abstract:In order to achieve high—precision three—dimensional trigger positioning of micro-devices at any single pointin three—dimensional measurements,a new type of three—dimensional resonant trigger positioning system was devel-oped.The quartz tuning fork is used as the micro-force sensor,and combined with the integrated fiber micro—stem andmicro.ball tip.A three.dimensional resonant trigger probe is constructed using the high sensitivity of its resonant pa—rameters(resonant amplitude,resonant frequency/resonant phase)to the micro-force.The probe is combined withthe three—dimensional nano—positioning unit,~edback control module and signal processing circuit;the integrated am—plitude~edback and phase~edback three—dimensional resonant trigger positioning systems are built respectively.Un-der the signal driving,the quartz tuning fork is working in its resonant state,and the amplitude or frequency changescaused by the contact micro—force can be detected when the resonant probe touches the sample surface.The micro—ball tip of the probe contacts the sample surface in traditional tapping—mode in Z direction,and in friction—mode inboth X and Y directions.Experiment results show that the trigger resolution is 0.17 nm in X direction,0.20 nm in Ydirection and 0.18 nm in Z direction.The three—dimensional repeatability errors are 37.0 nm,70.6 nm and41.0 nm,respectively.The experiment results demonstrate the feasibility and effectiveness of nano—level precision po—sitioning for the proposed three—dimensional resonant trigger positioning system.

Keywords:trigger positioning;quartz tuning fork;resonant characteristic;three-dimensional resonant trigger probe;nanometer;three—dimensional resonant trigger positioning system收稿 日期:2013-05 Received Date:2013-05}基金项目:国家 自然科学基金(51175141)、教育部博士点基金(20100111110011)资助项 目2352 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷1 引 言纳米测量技术是纳米科学技术的基础学科之一,超精加工和超微加T进入纳米技术的新时代,对微小位移量和微小物体的测量达到纳米、亚纳米量级,要求微纳米三坐标测量机(CMM)尤其微纳米测头具有纳米量级精度、纳米分辨力,以及微牛量级测量力 。纳米触发定位是实现纳米测量的关键 ,三维触发定位技术作为微纳三维测量技术的核心,是 目前国内外微纳米 CMM研究中的一个难点之一 ,是实现微器件等真三维纳米测量的基础 。目前德国联邦物理实验室(PTB)等国内外著名测量和计量研究机构都致力于研究开发测力低至微牛量级、在三维方向达到纳米量级分辨力尤其具有纳米定位精度的微纳米测头系统 。其中以 PTB基于压阻式传感器检测系统的微纳米测头 Boss Probe (测球直径300 m,横向测力小于1 mN,X、Y向分辨力3 nm,Z向分辨力5 nm)、瑞士 METAS超精密 3D测头 (测球直径100~300 Ixm,测 力小于 500 IxN)、荷 兰 IBS PrecisionEngineering三 维 测 头 Triskelion probe (测 球 直 径500 txm,分辨力 3 nm,测力小于 500 IxN)为代表的接触式测头,是将测头测球与被测工件直接接触,采集轮廓点三维坐标,然后进行数据处理,进而得到被测件三维轮廓信息。接触式测头样机可靠性好、精度较高,然而随着测球微型化 ,接触面原子间各种微观作用力对测头影响越来越严重,应尽量避免接触测力可能引起的被测件表面及测球形变或损伤。而以日本大阪大学基于单光束光阱捕获技术的光学测头 (系统垂直方向分辨力约10 nm)为代表的非接触式测头,与被测件无直接接触,避免了测量力和摩擦力的影响,测量速度和采样频率高,但灵敏度易受被测件表面光学特性的影响。目前合肥工业大学也在进行基于 DVD激光读取头的接触式触发测头及非接触式光学聚焦测头研究,取得了一定研究进展?。 。此外一些新型测头,如日本 Matsuoka Hirohito等人尝试研制的压电驱动器驱动、双十字型磷青铜薄板谐振测头 ,使测头以自定义的5次共振频率呈倒钟摆式谐振,通过十字型薄板上的应变计检测测头与物体表面接触时产生的微变,测头测力低于50 N,重复性小于500 nm。其尚处于研究阶段,得到一些初步研究成果,从原理上证明了可行性 ,但需要进一步进行应用性和可靠性研究。

针对 目前现有商用、在研微纳米测头系统的不足及微纳米 CMM的研究需求,本文利用谐振状态石英音叉的谐振参数对微力的高敏感特性,将研究一种新的三维谐振触发定位方法,并基于该方法来研制一种三维谐振触发定位系统,使其具有三维纳米触发分辨力和微牛量级的测头,满足微纳米 CMM对超精密器件、软材料等的高精度、低测力三维触发定位要求。

2测头的结构及工作原理石英音叉三维谐振触发测头结构如图 1所示,其主体部分是南石英音又、一体式光纤微测杆测球构成 ,测头主体部分实物图如图 1(a)所示。石英音又具有高谐振特性,且热膨胀系数小,温度稳定性高,尤其品质因数高 ,保证了测头的谐振参数(谐振振幅或谐振频率)对外力的高灵敏度。对于触发测头,对测杆刚度、测球硬度及真球度的要求非常高,是微纳米 CMM研究的一个技术瓶颈,比较 目前国内外研究成果,光纤微探球球头质量仍需改进,但从总体上是当前适用于微纳米三坐标测量机的较优选择。本文采用了光纤熔接机烧结熔融玻璃光纤制成的一体式微测杆测球 ,如图 1(b)示。光纤球头直径在 80~200 LLm。

(a)石英音叉触发测头fa1 The trigger probe usingquartz tuning fork(b)一体式光纤微测杆测球(b)The integrated fibermicro—stem and micro—ball tip图 1 测头结构实物图Fig.1 Photo of the probe structure根据谐振模态悬臂梁一微探头测头系统最小可探测力梯度计算公式 :,
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min (1) 一 。o~ .u Q式 中: 为音又谐 振幅值,k。为音叉 臂力常数,k 为Boltzmann常数,B为测量带宽, 为实时温度 为音又测头谐振频率值,Q 为相应品质因数。可见当其他参数确定,k 与Q 成正比例相关,高Q值使得系统最小可探测力梯度相应极低,即对微小外力极为敏感。石英音叉在真空中的本征频率标称值为 32.768 kHz,裸音叉与光纤球构建的测头机构保持良好的谐振特性。图2(a)、(b)分别为裸音又及粘接光纤球构成的谐振测头幅频曲线图,由图得到裸音叉 的谐振频率 32.429 kHz,相应 品质因数 Q约为7 577,音叉测头的谐振频率为 30.968 kHz,相应品质因数为3 559,可见所构建谐振测头对微力极为敏感。因此以石英音叉为微力传感器,一臂作为压电驱动器,并在其自由端端部粘接上述一体式光纤微测杆测球,另一臂作为压电传感器,以一定幅值正弦交流电压信号驱动测头处于谐振状态,其振动呈垂直上下方向。当测头逼近试样时,在顶第 10期 余惠娟 等:石英音叉三维谐振触发定位系统 2353端测球与试样表面间微“针尖力场”的作用下,测头谐振频率偏移(相应谐振相位偏移)且振幅迅速衰减,利用以上谐振参数的变化及引起输出电信号的变化作函数关系的程序处理即可精确检测试样表面信息实现高精度触发定位。

频-~J:Hz(a)裸音叉幅频曲线(a)The amplitude frequency curve ofthe naked tuning f0rk频率,/}Iz(b)谐振测头幅频曲线(b)The amplitude frequency curve ofthe resonant probe图2 幅频曲线Fig.2 The amplitude frequency curves与目前国内外存在的商用及在研三维测头不同,本文提出的三维谐振触发测头最显著的特点是在 z向以轻敲模式与试样接触 ,而在 、y向以摩擦模式接触。如图3所示,在 z方向上,石英音叉的振动方向与试样被测表面垂直,测头工作于轻敲模式;在 、】,方向上,音叉振动方向与试样被测表面平行,测头工作于摩擦模式。因此构建的三维谐振触发测头从纳米接触的力学模型及动态特性上都有别于传统概念上的三维测头。尤其 、l,向纳米摩擦过程中由于界面粘着能的存在且不容忽视,广义上的Hertz摩擦理论不完全适用。z向轻敲模式接触过程中也因体相间界面能的相互作用产生粘着滞后。因此从微观尺度分析,必须充分考虑纳米接触时的空气阻尼、能量耗散、弹性形变恢复力、微观尺度界面摩擦、界面粘着能及范德华力的影响,此外,对于大气环境还需考虑空气湿度引起的水膜作用对测头测球一试样表面纳米接触相互作用的影响。这些构建的新型测头的微观机理也是 目前正在深入研究” 的内容。

测头运动方向(a)z向 (b)坝 向(a)In z direction (b)In X(19 direction1一体式光纤微测杆测球;2压电驱动器;3压电传感器;4石英音叉;5谐振信号;6励振信号;7试样图3 三维谐振触发测头工作示意图Fig.3 Schematic operation diagram of the three—dimensionalresonant trigger probe3 三维谐振触发定位系统将上述三维谐振触发测头与三维纳米定位台、反馈控制模块、信号处理电路结合,构建石英音叉三维谐振触发定位系统,系统构成框图如图4所示。系统的实现原理为:以锁相环路(PLL)输出的正弦交流信号施加于音叉臂压电驱动器作为励振信号,另一臂压电传感器检测测头谐振信号,同时利用 PLL对测头进行频率跟踪,使其保持谐振状态;当微小的三维外力导致测头谐振频率发生变化时,谐振石英音叉测头的谐振频率随之发生变化,通过检测该谐振频率的变化,实现三维谐振触发测头的图4 三维谐振触发定位系统框图Fig.4 The block diagram of the three—dimensionalresonant trigger positioning system2354 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷通过锁相环路实现测头励振与频率跟踪 ,锁相环由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器组成。压控振荡器输出信号励振测头,使之处于谐振状态,测头输出信号:1)经真有效值转换为直流信号,再经滤波放大后送人采集卡模拟输入端,读取后进入 PC与设定电压值进行比较,比较差值经 PI调整后再经采集卡,对纳米定位台进行模拟电压相位反馈控制;2)经前置放大后转换为方波信号 ,与振荡器输出方波信号进行鉴频鉴相,鉴相器输出的带纹波的直流信号经环路滤波器滤除纹波后输出相位差电压送人采集卡模拟输入端,实现相位反馈控制。振幅反馈与相位反馈的控制框图分别如图5、6所示。此外,数据处理及控制部分主要是通过 VC++编程实现采集卡驱动、数据读取与写入、串行口处理和系统控制。

石英音叉测头谐振信号 — 真有效值转换 — 滤波放大与设定电压值比较l —{采集卡驱动及数据读取 一 采集卡— 塑 型 生 ’}L—— —J 振幅反馈控制 控制三维纳米定位台图5 振幅反馈控制框图Fig.5 The control block diagram of amplitude~edback图 6 相位反馈控制框图Fig.6 The control block diagram of phase feedback如前所述,提出的三维谐振测头具有不同于传统测头的运动模式,因此构建的三维谐振触发定位系统也具有特别的触发定位方式。如图3所示模型,测头在励振信号驱动下垂直上下谐振,在z向上,纳米定位台带动试样以一定速度沿 z向向上逼近测球 ,以轻敲模式实现触发定位;在 、y方向上,纳米台驱动试样恒速沿 或 y方向正向逼近谐振测球,以摩擦模式实现触发定位。

4 系统特性测试4.1 噪声水平测试噪声大小是影响系统触发分辨力的重要因素之一,直接影响系统性能。本文利用 自主编写的噪声水平测试程序,以测头谐振状态下输出的直流电压信号为测试对象测试了谐振触发定位系统三维空间噪声水平,程序设置采样率200 S/s。如图7所示,系统在谐振状态下 、l,、z 3个方向上的噪声水平分别为 1.94 mV、1.30 mV、2.59 mV。

言。·l46s。.1442.3 2.4时Ihlt/s(a)炯 噪声水平(a)Noise 1eve¨ n Xdirection6.6 6.7 6 8 6 9 7 0时l司 s(b)rth噪声水平(b)Noise level in Ydirection2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2时间∥s(c)ZI旬噪声水平(C)Noise level in Z direction图7 系统噪声水平测试Fig.7 Noise levels of the system4.2 三维定位曲线测试触发分辨力是评定触发定位系统的重要参数,由于系统测头结构具有三维不对称性,即各向异性,且纳米定位台在 3个维度上所能达到的定位精度不同,必然导致系统性能在不同方向上存在一定差异。另外,本文提出的三维谐振触发定位系统在z向与在 、y向工作模式不同,测头顶端测球与试样逼近至接触过程受到的微“针尖力场”作用不同,尤其对空气湿度RH值大小感应灵敏,导致触发分辨力的差异性。如图8所示系统三维定位测试曲线,是在5 O 5 5 0 0 趟,申第 10期 余惠娟 等:石英音叉三维谐振触发定位系统 2355实验室环境 25℃恒温、空气湿度约63%条件下测得的,测量对象为0级量块工作面,得到系统 、y、Z 3个方向触发分辨力分别为0.17 nm、0.20 nm、0.18 nm。

耄皿】位移 Hm(a]朋句定位曲线(a)Positioning calve inXdirectionO.15专o‘客0·O5O位移S/lam(b)炯 定位曲线(b)Positioning culve in Ydirection位移S/~tm(c)Z向定位曲线4.O图 8 三维定位测试曲线Fig.8 Three—dimensional positioning CUrVes如图1中测头实物图及图 3测头工作示意图所示 ,一 体式微探球粘接在音叉作为压电驱动器的一臂 自由端,微探球的振动方向与该音叉臂相同,故测头等效弹性常数由音又决定。根据振动梁的弹性常数 与其谐振频率 之间的关系式,及粘接微探球 △ 引起的改变后的谐振频率 与 k之问的关系,推导出测头弹性常数的计算公式如下:= ? (2)文中粘接一体式光纤微测杆测球引起的有效质量增量约为4.1×10~g,由图2可知粘接微探球前后谐振频率分别为32.429 kHz、30.968 kHz,故由式(2)算得音叉谐振测头的弹性常数k=17 624.55 N/m。根据图8(a)向定位曲线中微探球与试样表面初始接触至压缩到设定电压处的线性位移 S (S =9.7 nm),得到测量力 约为 170.9 N。同样方法得到在 l,、z向上的测量力 F 、F 分别为约 59.9 IxN、16.7 IxN。

4.3 三维重复性测试对于触发定位系统,同一触发位置的单点重复性是表征系统性能的重要指标。引起重复性误差的因素包括:因励振信号频率不稳定而造成的电压信号波动、系统机械结构引入 Abbe误差、测杆受到触测力作用时产生弹性形变、测球与试样接触产生介观尺度上的微变形、纳米摩擦力的影响、测试过程中纳米台移动速度及定位精度、环境条件的改变、外界振动的影响及其他随机误差等。

如图9(a)、(b)、(c)所示系统三维定位重复性测试结果,各单方向上重复测量 5次(z向3次),所述三维谐振触发测头系统在 、l,、z方向上的重复性误差均在纳米量级,分别为37.0 am、70.6 nm、41.0 nm,证明系统具有良好的单点触发稳定性。对于本系统,所用三维纳米定位台的XY二维台部分与装载试样的载物台之问存在一定的 Abbe臂,且 z向测量线与内置导轨不同轴,即机械结构产生的 Abbe误差是引起系统重复性误差的主要原因,后期的工作考虑加以改进,提高系统特性。

O 3言0.2O 1O· 位 u ·(a)炯 重复性曲线(a)Repeatability calve in Xdirection(b)”句重复性曲线(b)Repeatability curve in Ydirection2356 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷O.44O.42>苗0l40O 380_364.0 4.5 5.0位移S/p~m(c)Z向重复性曲线(c)Repeatability cun e in Z direction图9 三维重复性测试Fig.9 Three—dimensional repeatability curves5 结 论本文提出了一种新的石英音叉三维谐振触发定位方法,并基于该方法构建了石英音叉三维谐振触发测头,研制了基于该测头的三维谐振触发定位系统。

1)通过对测头最小可探测力梯度与品质因数的分析,证明系统具有对微力的高灵敏性。

2)提出的测头从工作模式上有别于现有传统三维测头,其在z向工作于轻敲模式,在 、y向工作于摩擦模式。

3)经实验验证该系统在 、Y、Z3个方向上的触发分辨力分别为0.17 nm、0.20 nm、0.18 nm,三维重复性误差分别为37.0 nm、70.6 nm、41.0 nm,即系统具有纳米量级精确定位的可行性和有效性,为最终实现对各种微型机械、MEMS器件、软材料等的高精度、低破坏性真三维测量奠定了基础。然而,为了使该三维测头实现商用 ,还需要进行系统集成和微探球的微型化。目前 ,所研制的微探球直径已经小于 80 Ixm,但该尺寸需要进一步减小,这也是微纳米 CMM技术研究中的难点之一,目前仍在研究中。

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作者简介余惠娟,2005年于合肥工业大学获得学士学位,现为合肥工业大学博士研究生,主要研究方向为精密仪器及机械。

E—mail:yuhuijuan0909###163.comYu HuUuan received B.Eng.degree in2005 from Hefei University of Technology,andPh.D.degree in He i University of Technolo-precision instrument and machinery.

黄强先(通讯作者),分别于 1990、1993和 1998年在合肥工业大学获得学士、硕士和博士学位,2000—2005年于 Et本东京工业大学和日本产业技术综合研究所从事博士后研究和访问学者,现为合肥工业大学教授、博士生导师,主要研究方向为微纳米三维测量技术、纳米扫描探针技术研究及应用、仪器精度理论研究及应用等。

E—mail:huangqx### hfut.edu.cnHuang Qiangxian(Corresponding author)received B.Eng.,M.Eng.and Ph.D.degrees all from Hefei University of Technolo—gy in 1990,1993,1998,respectively,and was engaged in the post—doctoral studies and a visiting scholar in Tokyo Institute of Tech—nology and AIST,Japan,from 2000 to 2005.Now he is a professorand Ph.D.supervisor in Hefei University of Technology ,and ma—jors in micro/nano'three dimentional measuring technology,theresearch and application of nano scanning probe technology ,thetheoretical reseaeh and application of instrument precision.

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