摘 要: 介绍了一种新型的用于纳米坐标测量机的三维微纳米接触触发式测头机构. 本测头以灵敏度高、抗干扰性强的布拉格光纤光栅( FBG) 为测量的敏感元件，根据 FBG 对轴向应变变化敏感的特点，开发了一套有效触发测量力小的柔性悬架机构，该机构为三悬丝-六边中心连接体的悬架结构，相间隔的 3 边延伸悬臂与 3 根布拉格光纤光栅相连，当测球发生预行程变化时，由测杆带动柔性悬架机构产生偏摆，从而带动 3 根 FBG 发生轴向的拉伸或压缩，进而产生传感信号的输出. 由于测头结构复位性是衡量测球和工件分离后能否回到初始位置的标准，是测头其他各项指标的基础，因此结合激光干涉仪和精密微动平台，采用光学非接触干涉测量方法对该测头机构的实际复位性能进行了测量. 结果表明，测头系统采用 15 N 的预紧力安装悬丝，可得到较好的复位性和灵敏度，该测头机构复位性精度在 20 nm 以内，满足微纳米量级高精度测量的需要.
近年来微电子机械器件的制造得到快速发展，这些器件的几何特征尺寸介于数微米到数毫米之间. 要保证微电子机械器件的加工质量，就要有相应的检测技术和手段. 传统商用高精密测量设备，如原子力显微镜、扫描隧道显微镜等，常用于二维形貌连续扫描测量，不易测量微器件的三维特征，真正的三维测量还是要用三坐标测量机. 由于商用三坐标测量机的测量精度不高，测量力太大，容易造成被测件的变形，故也不能用于微纳米器件的质量控制. 因此，研制具有纳米级测量精度的纳米三坐标测量机和高精度三维测头是高精度测量技术研究领域的热点问题. 近年来国内外已有相关研究单位研制出体积小、精度高、具有纳米级( 1 ～100 nm) 的三坐标测量装置，如美国国家标准技术院于 1987 年开始在 Teague 博士的带领下研制的分子测量机[1]，德国联邦物理技术研究院研制的特殊三坐标机[2]，荷兰 Eindhoven 大学研制的硅基纳米坐标测量探头[3]，英国国家物理实验室研制的小型三坐标测量机和基于电容传感器的碳化钨 Si 基探头[4]，日本大阪大学研制的纳米三坐标测量机和激光捕获式纳米测头[5-6]，合肥工业大学研制的纳米三坐标测量机[7]等，其中大多属于国家级研究单位或著名大学的研究项目，很多仍处于研究开发阶段，且研制成本较高.
布拉格光纤光栅( fiber Bragg grating，FBG) 属于一种光纤传感器件，其灵敏度很高，输出线性范围宽，且传感探头结构简单、尺寸小，特别适合于微小尺寸的而不受光源强度、接头损失、光程损失因素的影响; 另外，FBG 对环境干扰不敏感，能有效避免电磁场的干扰，这是一般电学传感器所无法比拟的. 目前，其应用领域主要集中在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及坝等工程结构的应变和温度监测方面[8-9]. 对于将FBG 传感元件应用于纳米三坐标测量中，目前国内外还鲜有报道.
本研究的目的是开发较低成本的基于 FBG 敏感元件的纳米级三维接触触发式测头，用于小型纳米三坐标测量机中，以实现对微电子、微机械器件的高精度测量.
1 FBG 应变传感原理
当 FBG 受到轴向的拉伸或压缩变形时，其内部将产生的微应变的变化量为
式中: l 为 FBG 的原始长度; Δl 为 FBG 拉伸或压缩时的长度变化量.
在应变测量系统中，当温度不变时，FBG 的有效折射率和光栅周期的大小随着应变的变化而改变，从而导致 FBG 的反射波长发生漂移，漂移量为
式中: λB为 FBG 中心波长; neff为有效折射率; ρij为弹光系数; &UPSilon; 为纤心材料泊松系数.通过 FBG 解调系统检测出 FBG 的中心波长漂移量 ΔλB，即可得到 FBG 微应变的变化量 Δε，进而测得FBG 轴向拉伸或压缩变形量 Δl.
2 测头机构与测量原理
机械测头属于硬测头，由于测量力的存在，测头的测量端面和被测表面由于测量力引起的接触变形对瞄准的精度影响很大，因此合理设计测头结构、精确控制测量力是接触式微纳米探头设计的关键，较大的测量力会导致被测元件的塑性变形，而测量力过小又不能使测头有效触发，会造成测量误差.
在本测头系统中，根据布拉格光纤光栅传感器对轴向应变变化敏感、而对横向应变不太敏感的特点，研制了一套测力小、灵敏度高、各向同性好的测头高灵敏弹性机械构，其结构示意及 ANSYS 仿真如图 1 所示. 为了减小测力、提高测头结构的灵敏性，该测头结构采用了悬架机构，仿真分析表明该结构具有较好的应力分布线性度和各向同性. 测头中采用 3 根 FBG 敏感元件进行测量，并连接于悬臂支架的末端. 测头的测量原理如图 2 和图 3 所示，当测头从 xy 平面内任意方向触碰工件时，测杆产生偏斜，测杆偏斜又带动悬架机构绕水平中心轴转动，从而带动连接在悬架末端的各个 FBG 产生轴向的拉伸或压缩，进而引起 FBG 的中心波长 ΔλB变化. 当测头沿 z 向接触工件时，测杆带动悬架产生 Δz 的偏移，所有 FBG 均被压缩，从而导致FBG 的中心波长 ΔλB变化.
为了获得较高的灵敏度和精度，系统要求测杆短、浮动板悬臂长. 但是为了适应各种复杂形状测量的需要，测杆不能太短; 同时，受测头结构尺寸的限制，浮动板支架也不能太长，这里设计其尺寸大于或等于测杆的长度，根据杠杆原理，当测球水平移动 10 nm 的位移时，FBG 的轴向拉伸或压缩量将大于或等于 10 nm. 本测头系统中测杆长度为 20 mm，浮动板悬臂长 25 mm.
3 测头机构的复位性能测试
测头机构的复位性是衡量测球和工件分离后能否回到初始位置的标准，是测头的一项重要指标，也是其他各项指标的基础. 如果测头的复位性不好，其他各项指标无从谈起.
在本测头机构中，其复位性与悬丝的预紧程度密切相关. 当预紧力较小时，悬丝间较松动，测杆容易偏摆，灵敏度较高，但触发后振荡时间较长，很难回到初始位置，复位性较差，也容易受到外界干扰的影响; 当预紧力较大时，灵敏度会降低，需要的测量力也较大.因此选择合适的预紧力是提高测头机构复位性、测量力、灵敏度这 3 项指标的关键. 这里采用光学非接触测量方法对安装好的两种不同预紧力( 10 N 和 20 N) 的测头做复位性实验.
测头机构复位性实验系统如图 4 所示，包括光学隔振气浮平台、实验台架、测头、SIOS 三光束干涉仪、微动调整台、计算机、示波器等. 实验方法为: 在测杆顶端贴一反射镜，调节光路，使干涉仪的一束激光照射在反射镜上，并反射回激光孔，同时调节微动调整台使示波器上显示清晰的李萨如圆，这样就可以用干涉仪进行测杆实际位置的测量了. 当测头无外力碰触且无位移时，定义为初始零点位置; 测量时，通过微动实验台架碰触测杆，给测杆一定的位移后，再退回初始位置，记录测头复位后的实际位置. 测量数据通过 USB 接口送入计算机，在上位机中实时显示和存储数据. 实验结果如图 5 所示，这里采样周期为 1/6 s. 图 5( a) 中测头灵敏度较高，但复位时振荡时间较长，且振荡幅度很大，容易引起测头的误触发; 图 5( b) 中测头振荡小，复位性较好，但对该测头做测力实验发现，要使测头产生触发信号所需施加的测量力较大，灵敏度较低.
为了兼顾复位性和灵敏度的需求，本测头系统采用了15 N 的预紧力来安装悬丝，并进行了测头的复位性实验，实验结果如图 6 所示. 图中，给测球端以不同的偏移量( 分别为 100 nm、200 nm、…、800 nm) ，分析其复位情况，结果表明，不同的偏移量对测头机构的复位性影响不大. 这里对每一种偏移量进行了 20 次重复测量，各稳定态的测量复位最大偏差值为 18 nm，最大标准差为 10. 6 nm.
同理，改变反射镜的位置，在测头的多方向上进行同样的实验，得到测头机构各向复位性精度在 20 nm以内，满足系统设计要求. 根据误差分析，此误差主要包括各机械部件变形引起的测头偏移误差、干涉仪测量误差以及数据处理误差. 另外，反射镜重量对测量精度也有影响，尤其是在 z 方向，因此后期需进一步建立由反射镜重量所引起的测量误差模型，以实现误差的修正和补偿. 同时，反射镜安装位置的高低对实验结果也有直接的影响，因此安装反射镜时，应尽量使反射镜位于测球中轴圆周面上，即尽量与实际测量位置一致，以减小实验误差.
4 结 语
本文基于 FBG 的传感原理，研究了一种新型三微纳米测头机构. 该测头机构设计为悬丝均布的柔性悬挂结构，具有测量力小、灵敏度高、对称性好的特点.同时，采用灵敏度高、抗干扰能力强的 FBG 作为测量敏感元件，若结合高精度的解调系统，分辨率可达1nε. 经实验测试，该测头机构的复位性精度在 20 nm以内，满足微纳米测量的需要.
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基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50805043) ; 清华大学国家重点实验室开放基金资助项目( DL-002) .
作者简介: 刘芳芳( 1978— ) ，女，博士，讲师.
通讯作者: 刘芳芳，liuff7839@126. com.
