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332 332 仪器仪 表学报 第22卷 第 第 22 卷第 3 期增刊 仪器仪表学报 2001 年 6 月 微尺寸探针测量技术 孙涛阎永达王洪祥董申(哈尔滨工业大学精密工程研究所哈尔滨150001) 摘要 原子力微探针具有极高的垂直方向位置灵敏度，其针尖半径可达几十纳米量级,这就为微纳米尺度的三维坐标测量提供了 可能性。本文基于原子力微探针瞄准原理并结合二维微位移系统和高精度电容传感器，研制了微尺寸测量系统。 关键词原子力微探针坐标测量电容传感器 Measurement Technology of theM icro- dmension with theM icroprobe Sun T ao Yan Yongda W ang Hongx iang Dong Shen (R esearch Institute of P recision Engineering, H arbin Institute of T echnology, H arbin 150001, China) Abstract The atom ic force probe has high displacement sensitivity on vertical direction, and the radius of the probe can reach several tensof nanometers. The possibility of 3D m icro- dimension coordinatemeasurement on the m icrometer and nanometer scale isprovided. On the basis of the aim ing p rincip le of theatomicforceprobe along w ith 2D m icro2disp lacem ent system and the high precision capacitive sensors, the m icro2dimension mea2 surem ent system is developed. Key words A tom ic force probe Coordinate measurement Capacitive sensor 1引 言 微小尺寸传统测量法是依靠高精度触针式传感器 或光学测微传感器。常规接触式传感器测头的缺点是 接触力造成的局部弹性变形及测杆弯曲变形影响测量 精度。常规非接触式光学测头不存在测量力, 但由于光 线的干涉和衍射现象, 其测头精度也只在微米量级。 1994 年日本松下电器公司开发的装有原子力测 头的UA3P型三坐标测量机［1］。这种测头被报导为目 前测量机中的有最高准确度并可进行非接触连续测量 的测头，其原子力测头的曲率半径有0. 5mm和2^tm 两种。但经过计算其2⑷半径测头的测量力为10- 4N ?5X10- N (10~ 50mg),已远远超出原子力范畴，原 子力是指被测表层对测针之间的原子排斥力, 一般在 10- 7?10- 9N 之间。经分析,该测量机测头的测量力仍 完全属于宏观机械接触力, 只是接触力较小而已。仍可 根据接触力的经验公式, 计算出其接触力造成的变形 误差在亚微米级, 仍会造成较大的测量误差。 基于近些年扫描探针显微技术 (Scanning Probe  Microscope,简称SPM )的发展以及国际上已经成熟 的计量型探针显微技术［2- 3］,并依据日本松下电器公 司原子力测头的设想,以原子力微探针做为瞄准装置 传感器, 并结合二维微位移系统和高精度电容传感器, 研制了真正意义的原子力测头,并在一定范围内高分 辨力对微小尺寸进行了三维测量研究。 2测量系统组成及探针测量原理 整体测量结构采用三坐标机的龙门式结构,采用 工作台与测头分离型, 参见图 1。 1 1基座 2粗工作合 3柔性工作台 4夹具及被测样品 5 Z向粗.精飼机构 6 z向瞄准系统 7监測系统 图 1 三维测量结构简图 这样的结构制造装调容易，对x- y方向的运动控 制也比较简单。两只高精度电容传感器作为柔性工作 台的反馈测量元件，其监测范围为土 3⑷，分辨力为 1nm。二维x- y工作台采用双柔性对称结构,并经1: 4 杠杆缩小以满足小量程下的高分辨力。 Z 向经过粗、 精两级调整后,保证针尖与样品的表面接触,此时即可 进行三维坐标测量。 目前扫描探针制作及其位置检测系统已商品化, 已出现Si SN、金刚石等材料制成的多种规格原子力 微探针, 其微悬臂的检测方法也有隧道电流检测法、电 容检测法、各种干涉法、光学杠杆法、压阻及压电检测 法等。本文采用光学杠杆方式，激光器发