納米測量機三維微觸覺測頭開發(fā).pdf

1、針對目前微納米幾何量計量中存在的高深寬比結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)三維高精度測量問題,本文基于電容和壓阻原理,利用微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝,設(shè)計了兩種具有3D測量能力并可集成到納米測量機的微觸覺測頭——MEMS電容式三維微觸覺測頭和MEMS壓阻式三維微觸覺測頭。完成的主要工作如下:
　　1.分析了MEMS電容式三維微觸覺測頭的結(jié)構(gòu)和原理;對課題組前期開發(fā)的基于非硅MEMS工藝的電容測頭進行結(jié)構(gòu)和工藝上的優(yōu)化,利用電鍍和犧牲層技術(shù)制備出微電容傳

2、感器原型;對測頭進行裝配和封裝設(shè)計,完成了其與校準(zhǔn)裝置和納米測量機的機械集成。
　　2.對MEMS壓阻式三維微觸覺測頭進行原理及結(jié)構(gòu)分析,建立了測頭位移檢測模型;利用Solidworks Simulation模擬測頭在軸向和橫向負載作用下的位移及應(yīng)力分布狀況;設(shè)計了兩種壓阻檢測電橋,并對其工作機理進行研究,建立了測頭的輸出檢測模型。
　　3.設(shè)計了壓阻測頭懸掛系統(tǒng)加工版圖;利用MEMS體硅加工工藝完成了懸掛結(jié)構(gòu)及敏感單元的制

3、備,并對制作的壓阻樣條進行了測試;通過微尺度下的自對準(zhǔn)與自定位技術(shù)實現(xiàn)了測頭的裝配及與外圍電路的電連接。
　　4.基于C8051F120單片機和ADS1274芯片,設(shè)計了壓阻測頭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并對系統(tǒng)三軸輸入通道進行校準(zhǔn)。通過對系統(tǒng)精密電源、前端通道、PCB板布局及后續(xù)數(shù)字濾波算法的優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)了系統(tǒng)對測頭三軸微弱電壓輸出的高精度實時同步采集。
　　5.對兩種測頭的測量范圍、線性、遲滯及分辨力分別進行了測試,分析比較了兩種