基于双SPM探针的微球测量方法研究
发布时间：2021-09-19 20:32
在微纳测量领域,微纳米三坐标测量机（micro-nano CMM）是用于微小型零器件测量的精密工具,其精度通常控制在数百纳米。微纳米三坐标测量机的测头顶端是一个直径为数十至数百微米,球度为数十至数百纳米的微球,微球的轮廓误差量级与微纳三坐标测量机的精度等级近似,因此必须对微球轮廓进行精确测量,从而修正微纳坐标测量机的误差,保证测量机精度。目前国内外针对微球的测量方法可以分为接触式和非接触式两类:接触式测量能达到较高精度,但依赖于研究团队开发的特定设备,如超精密三坐标测量机,超高精度回转轴等;非接触式测量主要利用光学方法,但受限于衍射极限影响,精度只能达到微米量级。本文在分析国内外研究基础上,根据现有条件,提出利用双扫描探针（SPM,Scanning Probe Microscope）对微球轮廓进行测量的方法,在实现接触式测量高精度的基础上避免了对特定超精密设备的依赖。本文将自制的大长径比钨探针与石英音叉组合制备成高分辨力的扫描探针,双探针在微球两侧相对测量的方法得到微球最大截面圆轮廓,通过测量多个最大横截面圆轮廓组合得到微球的球轮廓。在截面圆测量过程中通过翻转测量两个相对位置截面圆的方...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
AFM针尖
合肥工业大学博士研究生学位论文 1.2.2 微球非接触式测量进展 相对接触式测量方法，非接触式方法有显著优点，能够实现无损无伤检测，检测结果不受接触应力影响且速度较快。台湾大学 Wen-Pin Shih 教授制备了用于micro-CMM 的直径为 20 μm-80 μm 的微球，且利用 SEM 对制备好的微球图像进行拍摄并处理[44]，如图 1.5 所示。
第一章绪论7（b）球体三维轮廓重构思路图1.6微球三维轮廓测量重构方法Fig1.6Measurementandreconstructionofthemicrosphere图1.6（b）显示了Liang-ChiaChen教授利用采集的多幅光学图像重构微球三维轮廓的结果：其中子图（a）显示拍摄到的一个截面圆实际图像，子图（b）是对拍摄的截面圆图像进行反投影处理，子图（c）表示利用最小区域法拟合得到的截面圆轮廓，子图（d）是对被测对象的坐标转换，子图（e）是利用最小区域法对表面轮廓点的重构，子图（f）显示正在重建的微球三维轮廓点云数据，子图（g）表示重构后的球轮廓模型。这种方法通过将不同角度的2D图像经过映射得到3D轮廓信息，能够实现微球形貌的三维评价，但受到光学成像误差的影响，测量精度为0.3μm。天津大学裘祖荣教授等利用激光共焦法对靶球几何误差进行检测[46]。利用共焦测头得到直径在亚毫米的惯性约束聚变靶球的轮廓信息，通过分析轮廓值分布信息，利用细分和目标值提取方法得到微球轮廓的测量结果。该方法突破了传统视觉方法微米级的精度，达到了亚微米级。北京理工大学赵维谦教授等利用激光差动共焦法对激光聚变靶丸微球进行形貌测量和球度评定[47]。利用差动共焦系统中物镜焦点与轴响应曲线过零点对应的特性对靶丸微球轮廓面定焦，检测过程中，靶微球在两正交方向旋转从而得到多个轮廓截面，实现全轮廓测量，利用该方法测量直径为876.90μm的靶微球，不确定度为0.15μm。归纳现有接触和非接触式方法的特点，可总结为：接触式测量精度很高，但存在对特定关键设备的依赖问题，如超精密旋转轴系，超精密三坐标测量机等；非接触式测量检测速度快，能够实现无损无伤检测，但受限于光学误差影响，精度仅能达到亚微米数量级，测量精度普遍不高，具体内容见表格1.1。
【参考文献】：
期刊论文
[1]音叉光纤一体式三维谐振测头优化研究[J]. 丁鹏翔,章文,陈丽娟,程真英,黄强先. 计测技术. 2019(02)
[2]激光聚变靶丸球度测量与评定[J]. 马仙仙,赵维谦,李少白,王龙肖,王允. 仪器仪表学报. 2017(11)
[3]产品几何规范中非理想表面的多尺度表征[J]. 石照耀,姜海洋,张敏. 光学精密工程. 2016(07)
[4]基于三次Hermite插值的局部特征尺度分解方法[J]. 李军,潘孟春. 噪声与振动控制. 2015(05)
[5]微纳系统材料、制造与器件物理研究进展[J]. 封松林,王曦,王跃林,曹俊诚,李昕欣,龚谦,李铁. 中国科学基金. 2014(02)
[6]石英音叉三维谐振触发定位系统[J]. 余惠娟,黄强先,李志渤,史科迪,程真英. 仪器仪表学报. 2013(10)
[7]微靶装配中靶球几何量的高精度测量[J]. 石帅,张林,吴文荣,裘祖荣. 强激光与粒子束. 2012(08)
[8]石英音叉扫描探针显微镜[J]. 黄强先,王毛翠,赵剑,王广红,余惠娟. 机械工程学报. 2012(04)
[9]新型纳米三坐标测量机误差检定方法的研究[J]. 夏瑞雪,陈晓怀,卢荣胜,俞庆平. 电子测量与仪器学报. 2010(03)
[10]MEMS三维微触觉测头的低频振动测试系统[J]. 李源,傅星,谢初南,沈瑶琼,安兆亮,栗大超,胡小唐. 天津大学学报. 2009(03)
博士论文
[1]异端类型三坐标测量机结构原理及误差修正技术研究[D]. 王晨晨.合肥工业大学 2012
[2]纳米三坐标测量机机械结构及接触式测头技术研究[D]. 王伟丽.合肥工业大学 2008
[3]激光靶丸表面几何状态的测量系统及评价方法研究[D]. 赵学森.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]基于双探针的微球球度检测系统研制[D]. 芈梦.合肥工业大学 2019
[2]微球球度测量机械系统研制[D]. 卞亚魁.合肥工业大学 2017
本文编号：3402289
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
AFM针尖
合肥工业大学博士研究生学位论文 1.2.2 微球非接触式测量进展 相对接触式测量方法，非接触式方法有显著优点，能够实现无损无伤检测，检测结果不受接触应力影响且速度较快。台湾大学 Wen-Pin Shih 教授制备了用于micro-CMM 的直径为 20 μm-80 μm 的微球，且利用 SEM 对制备好的微球图像进行拍摄并处理[44]，如图 1.5 所示。
第一章绪论7（b）球体三维轮廓重构思路图1.6微球三维轮廓测量重构方法Fig1.6Measurementandreconstructionofthemicrosphere图1.6（b）显示了Liang-ChiaChen教授利用采集的多幅光学图像重构微球三维轮廓的结果：其中子图（a）显示拍摄到的一个截面圆实际图像，子图（b）是对拍摄的截面圆图像进行反投影处理，子图（c）表示利用最小区域法拟合得到的截面圆轮廓，子图（d）是对被测对象的坐标转换，子图（e）是利用最小区域法对表面轮廓点的重构，子图（f）显示正在重建的微球三维轮廓点云数据，子图（g）表示重构后的球轮廓模型。这种方法通过将不同角度的2D图像经过映射得到3D轮廓信息，能够实现微球形貌的三维评价，但受到光学成像误差的影响，测量精度为0.3μm。天津大学裘祖荣教授等利用激光共焦法对靶球几何误差进行检测[46]。利用共焦测头得到直径在亚毫米的惯性约束聚变靶球的轮廓信息，通过分析轮廓值分布信息，利用细分和目标值提取方法得到微球轮廓的测量结果。该方法突破了传统视觉方法微米级的精度，达到了亚微米级。北京理工大学赵维谦教授等利用激光差动共焦法对激光聚变靶丸微球进行形貌测量和球度评定[47]。利用差动共焦系统中物镜焦点与轴响应曲线过零点对应的特性对靶丸微球轮廓面定焦，检测过程中，靶微球在两正交方向旋转从而得到多个轮廓截面，实现全轮廓测量，利用该方法测量直径为876.90μm的靶微球，不确定度为0.15μm。归纳现有接触和非接触式方法的特点，可总结为：接触式测量精度很高，但存在对特定关键设备的依赖问题，如超精密旋转轴系，超精密三坐标测量机等；非接触式测量检测速度快，能够实现无损无伤检测，但受限于光学误差影响，精度仅能达到亚微米数量级，测量精度普遍不高，具体内容见表格1.1。
【参考文献】：
期刊论文
[1]音叉光纤一体式三维谐振测头优化研究[J]. 丁鹏翔,章文,陈丽娟,程真英,黄强先. 计测技术. 2019(02)
[2]激光聚变靶丸球度测量与评定[J]. 马仙仙,赵维谦,李少白,王龙肖,王允. 仪器仪表学报. 2017(11)
[3]产品几何规范中非理想表面的多尺度表征[J]. 石照耀,姜海洋,张敏. 光学精密工程. 2016(07)
[4]基于三次Hermite插值的局部特征尺度分解方法[J]. 李军,潘孟春. 噪声与振动控制. 2015(05)
[5]微纳系统材料、制造与器件物理研究进展[J]. 封松林,王曦,王跃林,曹俊诚,李昕欣,龚谦,李铁. 中国科学基金. 2014(02)
[6]石英音叉三维谐振触发定位系统[J]. 余惠娟,黄强先,李志渤,史科迪,程真英. 仪器仪表学报. 2013(10)
[7]微靶装配中靶球几何量的高精度测量[J]. 石帅,张林,吴文荣,裘祖荣. 强激光与粒子束. 2012(08)
[8]石英音叉扫描探针显微镜[J]. 黄强先,王毛翠,赵剑,王广红,余惠娟. 机械工程学报. 2012(04)
[9]新型纳米三坐标测量机误差检定方法的研究[J]. 夏瑞雪,陈晓怀,卢荣胜,俞庆平. 电子测量与仪器学报. 2010(03)
[10]MEMS三维微触觉测头的低频振动测试系统[J]. 李源,傅星,谢初南,沈瑶琼,安兆亮,栗大超,胡小唐. 天津大学学报. 2009(03)
博士论文
[1]异端类型三坐标测量机结构原理及误差修正技术研究[D]. 王晨晨.合肥工业大学 2012
[2]纳米三坐标测量机机械结构及接触式测头技术研究[D]. 王伟丽.合肥工业大学 2008
[3]激光靶丸表面几何状态的测量系统及评价方法研究[D]. 赵学森.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]基于双探针的微球球度检测系统研制[D]. 芈梦.合肥工业大学 2019
[2]微球球度测量机械系统研制[D]. 卞亚魁.合肥工业大学 2017
本文编号：3402289
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