微納米三坐標測量機測頭的研究進展

黃強先 余惠娟 黃 帥 錢劍釗

合肥工業大學，合肥，230009

0 引言

近年來，微細加工技術的快速發展使得產品的導向趨于微型化，出現了各種微型機械和MEMS器件［1］。這些微型機械的幾何特征尺寸在數十微米至數毫米之間，這些尺寸的測量不確定度要求達到數十納米至數百納米。受限于測球尺寸和測頭系統性能等因素，傳統三坐標測量機無法滿足這些器件的三維精密測量要求。近代干涉儀和掃描探針顯微鏡等雖然分辨力在向著納米和皮米量級發展［2－4］，但測量范圍小、探針短，也不能滿足這些器件的三維測量要求，且掃描探針顯微鏡在垂直方向上的量程很小，不是真正意義上的三維測量儀器。因此發展體積小、精度高的微納米三坐標測量機技術成為當務之急。

目前，國內外一些研究機構都已致力于微納米三坐標測量機技術的研究開發，如美國的NIST［5－6］、德 國 的 PTB［7－9］、英 國 的 NPL［10－12］、日本的東京大學［13］、荷蘭的 Eindhoven工業大學［14－17］、合肥 工 業 大 學［18－27］、中 航 工 業 北 京 長 城計量測試技術研究所［28］、天津大學［29－31］等。上述研究機構在微納米三坐標測量機（micro－nano coordinating measuring machine，簡 稱 微 納 米CMM）研究上取得了一些進展，但離成熟和應用還有很大差距，目前還有一些關鍵技術需要解決。其中，三維測頭觸發技術作為微納三維測量技術的核心，是目前國內外都關注的主要研究熱點和難點［32－33］。本文對國內外微納米CMM測頭的研究現狀和進展進行了綜述，重點介紹了近年出現的新型測頭系統及其測量技術，并對微納米CMM測頭的發展趨勢進行了展望。

1 微納米CMM測頭技術要求和分類

測頭是測量機實現高精度測量的關鍵之一，也是坐標測量機的核心部件之一［33］。由于微納米CMM的測量精度高、測量尺寸小，相對于普通CMM的測頭，微納米CMM的測頭有如下要求：為了能夠實現微機械和MEMS器件的三維測量，測頭頂端的探球直徑要求在數十至數百微米以內；測頭測桿的直徑小于測頭測球的直徑，因此，無論是從測力導致的測量點彈性變形考慮，還是從測力引起的測頭測桿變形考慮，微納米CMM測頭的測力應盡可能小，一般在毫牛量級以內；微納米CMM的測量不確定度一般在亞微米量級甚至更小，作為測量機的一部分，測頭的測量不確定度一般要求控制在幾納米至數十納米量級；微納米CMM一般要求有納米量級的驅動和測量分辨力，因此，微納米CMM測頭也應具有納米量級的觸發分辨力或測量分辨力。

針對微納米CMM測頭要求的特殊性，有關學者正在采用不同觸發原理、不同結構、不同工作方式來研究開發微納米測頭系統，目前已經取得了一些進展和成果。分析目前的研究現狀，微納米CMM測頭一般可分為接觸式測頭、非接觸式測頭兩類。接觸式測頭是測頭測球與被測工件直接接觸，采集輪廓點三維坐標，然后進行數據處理，進而得到被測件三維輪廓信息。非接觸式測頭目前主要指光學非接觸式測頭，如激光三角法測頭，是根據光學原理，利用光束（通常為激光束）從被測物表面反射到接收器中來獲取表面形貌數據。非接觸式測頭可分為一維測頭（離焦法、干涉法等）、二維測頭（物面掃描法、光學傅里葉法等）和三維測頭（摩爾條紋法等）［32］。除此之外，針對微納米CMM測頭的特殊要求和上述兩類測頭存在的不足，還有研究者采用一些新原理和新技術研制了新型測頭。

2 接觸式測頭研究進展

接觸式微納米測頭的基本結構一般可分為測頭基體、微測桿測球、靈敏杠桿機構和檢測系統四部分。微測桿測球與被測件接觸，為能測量盡可能小的尺寸，接觸測球越小越好；靈敏杠桿用于將微測桿測球的運動轉換為檢測系統被測對象的直線運動，因此要求該機構靈活、可靠且對稱性好，此外為了實現有效測量，該機構的剛度要高；檢測系統是將靈敏杠桿機構輸出的機械運動信號轉換為電信號，要求檢測靈敏度高。根據所用檢測系統即傳感器不同，有以下幾類典型的接觸式微納米三維測頭。

2.1 基于電容（電感）傳感檢測系統的微納米測頭

英國 National Physical Laboratory（NPL）研制了以電容傳感器構建檢測系統、以鈹青銅懸臂為主構建靈敏杠桿機構的微納米測頭系統［10－12］，其實物圖和結構示意圖見圖1。在該測頭中，測頭基體材料為因瓦合金；靈敏杠桿機構由三根固定于測頭基體且呈120°均勻分布的鈹青銅懸臂、三根直徑為3mm并呈120°分布的碳化鎢管、厚度為1mm的鋁盤構成；微測桿的材料采用碳化鎢絲，微測球的材料采用氮化硅。三根鈹青銅懸臂前端分別與三根碳化鎢管剛性連接，并可上下運動，其位移大小分別由三個電容傳感器檢測。

圖1 NPL三維測頭

測量時，測頭測球觸碰到被測件，測球與被測件之間的測力使測球位置發生變化，帶動鈹青銅懸臂的前端上下微動，從而使相對應的三個電容傳感器的輸出發生變化，由該變化量計算出測頭測球在空間的三維位置變化。該微測頭系統移動質量為370mg，測桿呈微錐形，最大直徑為200μm、最小為30μm，長度為1～3mm，測球直徑為300μm，測量范圍為±20μm、分辨力為3nm，懸臂是各向同性的，剛度為10N/m，且測桿變形10μm時其測頭接觸力小于100μN，三維測量不確定度為50nm。

圖2 Triskelion測頭系統

荷蘭IBS Precision Engineering超精密三維接觸式測頭 Triskelion probe［34－35］的結構和測量原理如圖2所示，該測頭的靈敏杠桿機構和微位移檢測系統與圖1的NPL測頭基本一致。測頭基體的懸架部分由一塊整體金屬薄片加工而成，靈敏杠桿機構由呈120°分布的三叉形剛性架桿、三根撓性懸臂及連接兩部分的剛性目標盤構成，測桿連接于剛性架桿的中心位置上。測頭位置的位移變化由三個超精密電容傳感器測量，測頭系統的整個剛性件及彈性懸臂材料為因瓦合金。測頭測桿材料為碳化鎢，測桿長8.5mm，頂端紅寶石測球直徑為500μm（目前Triskelion系列中研發出的寶石測球直徑最小為35μm）。測頭系統剛度為70N/m（各向同性），測力小于500μN，測量范圍各向大于±10μm，分辨力為3nm，三維不確定度小于15nm。

瑞 士 Swiss Federal Office of Metrology（METAS）研發了質量小、可進行掃描測量的微測量力超精密3D測頭［36］，其機構如圖3所示。測頭的靈敏杠桿機構在X、Y、Z方向上都采用了撓性鉸鏈支撐的并聯運動機械結構，各軸與水平方向呈45°，所采用的并行運動結構限制了測頭的旋轉運動，即測頭只有X、Y、Z方向上的三個直線運動自由度，其位移由電感傳感器測量。除此之外，該結構的柔性鉸鏈連接處的壁厚僅有60μm，使測頭剛度只有20N/m，對力非常靈敏。測桿測頭的自身重力用永久磁鐵來補償，確保Z向的測力很小。測頭的有效運動質量為7g。測球直徑100～300μm，低速測量時，接觸測力小于500μN，各軸重復性可達5nm，測量不確定度為50nm，測量范圍為±200μm。

圖3 METAS測頭系統

2.2 基于光學傳感檢測系統的微納米測頭

德國聯邦物理技術研究所（physikalisch technische bundesanstalt，PTB）研 制 的 基 于Werth的三坐標測量機（special CMM）由一個光學坐標測量系統和兩個接觸式三維微傳感系統組成，兩接觸式微傳感系統分別安裝在測量機兩Z向軸上，形成接觸式雙測頭系統［7－9］。其中一軸采用光纖測桿、光纖測頭、光學成像系統及CCD來實現2D/3D接觸測量，另一軸基于硅薄膜及壓阻元件構成三維接觸式測頭，測球置于測量機內置CCD焦點位置，如圖4所示。在圖4a中，對XY面內的二維測量，光經光纖入射至測球，經測球返回的散射光經光學系統成像于CCD感光面上，當測球與被測件接觸產生相對位移，則測球所成像在CCD上位置改變。在Z向的光纖測桿上附著有一個測球，該測球經另一光學系統成像于第二個CCD上并取像，該測球、光學系統和CCD可實現Z向測量。兩套系統結合實現3D測量。該測頭中，測頭和測桿材料均為玻璃光纖，測桿直徑為15μm，尖端測球直徑為25μm。測力小于1μN，測量重復性為25nm，分辨力為10nm。該測頭可實現寬30μm、深100μm的微槽內尺寸測量。光纖測頭系統主要用于小孔、小坑及高長寬比的微結構特性測量，如測量直徑小于50μm的微型孔的粗糙度、波紋度及內壁形貌；接觸式測頭主要用于實現低測力三維測量。

圖4 PTB接觸式光纖感應雙探頭系統

圖5 接觸式觸發測頭及其懸掛機構

合肥工業大學的接觸觸發式測頭［18－19］是在自主研發的非接觸式光學聚焦測頭基礎上，使用四只DVD光學讀取頭作為位移傳感器而開發的三維納米測頭，其結構示意圖和懸掛機構示意圖見圖5。在圖5b中，剛性懸浮盤由4根鉬絲懸線彈性固定，由光纖和金屬套管構建的測桿固定于懸浮盤正下方，該結構構成了機械靈敏杠桿。當測桿上的光纖球頭在三維方向受力時，會導致懸浮盤四臂上的反射鏡在垂直方向上移動，其位移量分別由圖5a中的4個DVD光學讀取頭檢測。對四路DVD信號進行處理后就可得到光纖球頭在三維方向上的微位移，從而實現三維觸發測量。在該測頭中，光纖測球直徑為310μm，球度和偏心距離小于1μm；測頭系統單方向重復精度優于10nm，預行程變化量在OXY平面內優于15nm，測力大小依賴于觸發門檻電壓的設定，當觸發門檻電壓為10m V時，OXY平面內測力平均值為110μN，在Z方向測力平均值為59μN。

2.3 基于壓阻式應變計傳感檢測系統的微納米測頭

荷蘭 Eindhoven工業大學［14－17］研制的測頭原理與NPL測頭的原理相似，區別在于使用的傳感器是壓阻式應變計。如圖6所示，測頭基體由硅刻蝕制成；靈敏杠桿機構由鋁合金三角架、硅懸臂及剛性架桿構成；傳感元件為多晶硅壓阻式應變計。測桿測頭固定于鋁合金三角架上，三組應變計集成于硅懸臂并構成惠斯通橋，通過感測各懸臂變形來計算測頭位置變化。測桿長8mm，測球直徑為300μm，測速（不破壞被測件）為1mm/s，分辨力為1.2nm，三維不確定度為25nm，計算剛度XY面內 160N/m、Z向 800N/m，測量 為100μm。

圖6 Eindhoven工業大學測頭系統

德國PTB的雙測頭系統中，一軸為光纖測頭（圖4），另一軸基于硅薄膜制成凸出的三維測頭，如圖7所示。與Eindhoven工業大學的應變計測頭原理相似，也是基于硅基體的微測頭系統，該硅晶片測頭基體寬1mm，厚30μm；使用的壓阻元件為位移傳感器，其功能與應變計相似，但靈敏度更高。壓阻感應元件連接于硅晶片中間層上方構成惠斯通橋，感測接觸測針引起的變形并輸出測量信息。圖7所示測頭中，測桿長5mm，直徑500μm，紅寶石測球直徑300μm，橫向測力小于1mN，測量不確定度為80nm，X、Y向分辨力為3nm，Z向分辨力為5nm，X、Y向量程為20μm，Z向量程為5μm。

圖7 德國PTB的Boss Probe

德國Zeiss公司的F25型三坐標測量機測頭系統［37］如圖8所示，同時配備接觸式和光學測量傳感系統，根據不同情況兩傳感系統可獨立測量或相互配合，在同一坐標系下實現二維、三維測量。光學傳感測頭系統由視覺攝像頭和物鏡構成，主要用于表面、邊緣和其他二維測量，以及接觸式測頭不能實現的極小或極靈敏試樣的測量，尤其是易受損的軟材料。它的三維接觸式掃描測頭系統與PTB的接觸式三維測頭Boss Probe基本構成相似，如圖9所示，測桿連接6.5mm×6.5mm帶有集成壓阻組件的硅芯片（壓電薄膜），該芯片通過刻蝕、沉積技術形成撓性件，可以在單點或掃描模式下檢測測頭的位置變化。測桿材料為玻璃碳，直徑允許范圍50～500μm，最大長度4mm，測端測球直徑允許范圍100～700μm，分辨力為1nm，重復性小于50nm，測力小于500μN。

圖8 F25雙測頭系統

圖9 接觸式掃描測頭

荷蘭 Xpress Precision Engineering公司的Gannen XP測頭系統［38］，基底也是硅晶片，使用的傳感器為壓阻元件，可以實現超低不確定度的點測量和掃描測量，通過壓阻應力計的測量校正測頭信號，該測頭的偏差主要由溫度變化引起。如圖10所示，測桿長6mm，測桿剛度大于150 N/m，頂端測球直徑為120～500μm，測球剛度為400N/m，測頭測力為400μN/μm，整體三維不確定度為45nm，整個量程內任一方向的重復性可達2nm。

圖10 Gannen XP測頭系統

國內天津大學精密測試技術與儀器國家重點實驗室及上海市計量測試技術研究院聯合研制了MEMS三維微觸覺測頭［29－30］，測量時，測桿端部所測量的位移變化或力的變化使微梁上的應力發生變化，并通過分布在梁上的壓阻元件檢測，通過惠斯通電橋及后續放大調理電路處理，輸出電壓信號，從而實現微位移或微力的高精度測量。測桿和測球采用超精密加工技術制成，中心連接體和敏感梁構成的懸掛系統采用標準MEMS體硅工藝加工。測頭在軸向、同向橫向、異向橫向三個方向的測量標準差分別為42nm、6.05μm、6.16μm。

總結上述研究，接觸式測頭目前研究較多，測頭樣機的可靠性好、精度較高。缺點是測頭測端與被測表面接觸時產生的測力會引起被測件表面和測球的變形或損傷，不能測量軟質表面，尤其是接觸瞬間會使測端測球產生“高爾夫球效應”［39］；隨著測頭測桿越來越細（直徑目前可小至數十微米）、測球越來越?。ㄖ睆叫∮?00μm［6，17］），測球與試樣表面原子間的各種作用力對測頭的影響越來越嚴重［39－40］；同時，為了降低測力的影響，要求降低測頭力靈敏杠桿中彈性元件的彈性常數，這會降低測頭機械系統的剛度，使測頭的動態響應大大降低［41］。目前研制的測頭系統性能還不穩定，有待完善。

3 非接觸式測頭的研究進展

非接觸式測頭一般采用光學方法進行測量，依據一定光學原理配以光路設計進行測量。

前文所描述的德國Zeiss公司F25型三坐標測量機上的Viscan光學掃描測頭即為二維非接觸式測頭，如圖11所示。采用CCD影像系統，LED（綠光，532nm）環形光源可根據亮度和方向進行編程來降低陰影對光學圖像的影響，再配一個光學系統以放大探測器的測量區域。二維光學測頭系統精度為400nm，重復性小于200nm。

日本大阪大學的光學測頭［42－44］基于單光束光阱捕獲技術，捕獲直徑為8μm的玻璃微球微探頭探球，如圖12所示。微球在光阱力和自身重力作用下達到動態平衡。當捕捉激光經過聲光偏轉器調制后，捕捉激光在水平方向上掃描，從而使微球在徑向產生受迫振動。該微球振動的振幅通過另外一路He－Ne激光進行測量。當微球受到外力導致振幅變化時，即可實現三維測量和定位。根據頻率響應測試測得測頭徑向彈性常數估計值為4.1×10－5N/m，系統縱向分辨力約10nm，可測傾斜角小于15°的表面，測量重復性為32nm，置信水平95%時感測不確定度為64nm。

圖11 F25 Viscan光學掃描測頭

合肥工業大學的非接觸式光學聚焦測頭［20－23］如圖13所示，使用DVD激光讀取頭。根據DVD讀數頭的自動聚焦原理，采用四象限光電二極管傳感器探測誤差信號，反饋驅動音圈馬達，驅動物鏡DVD/CD至可聚焦位置并鎖焦，當精密平臺移動時，由四象限測出的信號得出被測件形貌。所使用的DVD讀取頭性能參數如下：光學系統數值孔徑NA＝0.6，激光束波長λ＝650nm，光點直徑約 為 860nm。量 程 為 2μm，分 辨 力 為800nm/V。

圖13 基于DVD激光讀取頭的聚焦測頭

非接觸式測頭與被測件無接觸，優點是沒有測量力和摩擦力，測量速度和采樣頻率高，可用于測量柔軟材料；缺點是靈敏度受物表特性，如顏色、光度、粗糙度等的影響較大。目前光學非接觸式測頭所能實現的分辨力和不確定度指標較接觸式測頭低。

4 其他新型測頭研究進展

由于上述各種形式測頭存在的不足及應用條件的制約，目前研究人員還采用新的工作原理和技術開發了其他形式的微納米三坐標測頭。

日本Mitutoyo公司的UMAP視像系統振動測頭［6，45］如圖14所示，采用了從振動掃描法中發展出來的一項技術。使用超小振動測針，通過接觸式掃描獲得被測件表面形貌，并能通過視像測頭對所需細微區域進行放大或進行一般的視像測量（視像照明系統采用同軸環形燈——白光LED）。測量過程中，測頭以一定振幅振動，輕敲接觸到被測件時振幅衰減，當振幅衰減至超過觸發電壓時檢出該信號，測頭與被測件分離后振幅恢復至接觸前狀態以備下一點測量。測頭測桿長2mm，直徑為10μm，測端測球直徑為30μm，測頭系統長徑比為66.7，測力為1μN，測量重復性小于100nm，分辨力為10nm，量程為200μm。

圖14 UMAP視像測頭

另外如美國的Insitu.Tec.Inc.公司研制了基于駐波技術的接觸式微測頭［46］，將波長為632.8nm的偏振光與一單模光纖耦合，并通過石英晶體振蕩器驅動該光纖橫向擺動，當光纖自由端與被測件接觸時，返回光通過光纖傳遞給光纖耦合器并最終由光電探測器檢測；英國Renishaw公司的Revo接觸式掃描測頭［47］采用同步運動和五軸掃描技術，且使用“端部感應”的創新方法在超高速下極近地接觸物體表面采集超高精度的測量點數據，在碳纖維空心測針架內部利用激光束檢測探針接觸物體表面產生的輕微彎曲，裝配不同的測針可以實現三維觸發、三維掃描、粗糙度檢測等功能，該種測頭的突出優點是測量速度高（測速可達500mm/s）、數據采集速度高（最大6000點/s）、可極大降低測量機高速移動產生的動態誤差，但對微納米CMM來說，在測頭的測量不確定度和測頭尺寸方面需要進一步改進；我國天津大學房豐洲等［48－49］研究的碳納米管探針利用網狀碳納米管的高彈性模量和良好的彈性彎曲能力、機械性能，將生長有序的碳納米管焊接到普通原子顯微鏡探針末端構成具有較大長徑比的碳納米管探針，分辨力高達3nm，適用于生物等軟材料的非破壞性掃描測量，其不足之處在于目前只能用于一維納米掃描；哈爾濱工業大學研究了基于球形電容極板的超精密非接觸式三維測頭［50］，測頭球形測端外表面設有球形電容極板，并通過信號導線輸出傳感信號，傳感器采用電容信號轉換與處理電路。最大可測深徑比達100∶1以上，分辨力小于5nm，且在空間三維任意方向都具有一致的傳感特性，為大深徑比、深寬比的深孔及內腔體高精度測量提供了有效的參考途徑。

還有一種新的微納米測頭研究方向，即構建諧振測頭。日本 Matsuoka等［51－52］嘗試研制了壓電驅動器驅動、雙十字形磷青銅薄板諧振測頭，使測頭以自定義的5次共振頻率呈倒鐘擺式諧振，通過十字形薄板上的應變計檢測測頭與物體表面接觸時產生的微變，測頭測力低于50μN，重復性小于500nm。它的不足之處在于對測頭結構參數要求嚴格、各項重復性較差（重復性標準差最大為300nm）、測頭頂端運動不明確，此外還要考慮驅動器發熱引起的測頭變形。東京大學Lebrasseur等研究開發的諧振測頭［52－53］是在測頭左右兩端配備驅動器驅動測頭諧振，測頭與試樣接觸時發生微偏轉，分別對左右兩側產生拉力、推力，引起拉伸、擠壓，產生大小相等符號相反的頻率改變，以此構建完整的輪廓測量系統達到微納米檢測的目的。利用靈敏元件的諧振特性，合肥工業大學目前正在研制諧振振動觸發的三維納米測頭［25，27，54］。分別以聚偏氟乙烯（PVDF）和壓電微音叉為諧振器件，與一體化微測桿測球組合構建三維諧振觸發測頭。經實驗驗證，在X、Y、Z三個方向上均能達到納米量級靈敏度及測量分辨力，其中基于PVDF的三維諧振觸發測頭三維測量分辨力達到亞納米量級，測量力可達納牛級。

上述新概念測頭目前還處于研究階段，得到了一些初步的研究成果，從原理上證明了可行性，但需要進一步進行應用性和可靠性研究。

5 結論

目前，國內外很多研究機構在研究微納米三維測頭，已經突破了一些技術瓶頸，取得了一些學術研究成果，但總體上來說，至今還沒有研制成功一種可靠的、得到廣泛認可的、可滿足微器件和微型零件三維測量要求的商用微納米三維測頭。針對目前的研究成果、存在的問題和應用需求，今后微納米三維測頭的研究中，應重點注重下面幾個方面：

（1）測球尺寸。測球直徑仍顯較大，現有的測球直徑一般都在數十微米至數百微米。為了能夠測量更小的槽寬，需要研制直徑更小、性能更穩定的測球。

（2）接觸式測頭測量力。對于接觸式測頭，測球越小，由測力引起的測球和試樣表面的變形或磨損越大；同時，測球越小，測桿要求越細，由測力引起的測桿變形越大。因此，要求接觸式測頭的測力越小越好。但當測力小到與原子間作用力相當時，會出現測球與試樣間的粘連現象。因此，測頭測力需要在兩者之間折中、平衡。

（3）測速。對于接觸式測頭，為了保證小的測量力，測頭的靈敏杠桿機構的剛度很小，從而導致了測頭的諧振頻率低、動態響應慢，甚至測球在碰撞試樣表面的瞬間產生“高爾夫球效應”，大大降低測量速度。因而提高接觸式測頭的測量速度及自身的抖動問題，是微納米測頭研究中需要重視的一個方面。

（4）測量不確定度。微器件等尺寸精度的提高要求相應工藝、計量達到與之相匹配的精度水平，體現在測頭部分即要求更高分辨力和測量不確定度。

（5）測頭測球的標定。測頭測球的尺寸誤差和形位誤差（偏心誤差和球度誤差）會引起測量誤差，測球校正是必須解決的問題。由于三維測頭的三維測量或定位誤差一般要求在數十納米以內，而目前的測頭測球誤差很難在制造上保證在數納米甚至數十納米以內，因此對測頭測球的標定是今后研究中應關注的一個方面。

（6）測頭的一致性。良好的測頭要求在三維方向上的靈敏度和測力是均勻的、一致性的。

（7）測頭的互換性。目前，微納米三維測頭還處于研究開發階段，要實現未來的商業化，還需要解決測頭的互換性問題。

從目前獲得的接觸式測頭和光學非接觸測頭特性看，在微納米測量中存在著各種制約。一些新型測頭，如諧振測頭有可能實現微納米真三維測量?？傮w來看未來無論是傳統經典微納米CMM測頭或是基于各種新原理新技術的測頭，如何克服各種技術瓶頸、形成完備的技術體系仍需要展開廣泛深入的研究。

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