MEMS电容式三维微触觉测头设计及校准.pdf

第 21卷 第 12期 光学 精密工程 Vo1．21 No．12 2013年 12月 OpticsandPrecisionEngineering Dec．2013 文章编号 1004—924X(2013)12—3087—08 MEMS电容式三维微触觉测头设计及校准 吴俊杰 ，李 源，李东升，卢 歆，何明轩 (1．中国计量学院计量测试工程学院，浙江杭州310018； 2．上海市计量测试技术研究院微米纳米计量实验室，上海201203； 3．上海交通大学微纳科学技术研究院微米／纳米加工技术国家重点实验室，上海200240) 摘要 ：由于微纳米几何量计量很难 以三维方式高精度地测量较大尺寸的器件 ，本文基于非硅 MEMS工艺 ，开发 了一种可 用于微纳米尺度三维尺寸测量 的电容式微触觉测头 。利用电容频率测量法实现了微弱电容信号的采集 。采用宏微结合 驱动方式，设计了运动范围为 25mm×25mmX10mm，单轴 12 m范围内定位精度达 1nm 的三维微位移平 台。最后 ， 对测头的测量范围、线性、迟滞及分辨力进行 了测试 。结果表明，测头的轴 向测量范围为 4．5／,m，横 向测量范围大于 5 x／m，轴 向分辨力优于 10nlTl，横 向分辨力优于 25nm，线性较好 。开发的测头结构简单、分辨力高、体积小、成本低 ，可集 成到纳米测量定位平 台(NMM)，完成具有大范围、亚微米或纳米级精度要求的测量任务 。 关 键 词 ：微触觉测头；微 电容传感器 ；微机 电系统；校准装置 ；纳米测量机 中图分类号 ：TB92；TP212．9 文献标识码 ：A doi：10．3788／OPE．201321l2．3087 Design andcalibration of3D m icrotactile probebasedon M EM Scapacitancesensor WUJun—jie ，LiYuan，LiDong—sheng，LuXin，HeMing—xuan (1．CollegeofMetrologyMeasurementEngineering． ChinaJiliangUniversity，Hangzhou310018，China； 2．LaboratoryofMicro／NanoMeasurement，ShanghaiInstituteof M easurementandTestingTechnology，Shanghai201203，China； 3．StateKeyLaboratoryofNano／MicroFabricationTechnology，ResearchInstituteofMicro／Nano ScienceandTechnology，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200240，China) *C0rr8s 0 gauthor，E-mail：叫 iesimt@gmail．corn Abstract：Itisdifficulttomeasurelargesizecomponentsinhigherprecisionanda3D modeinthemi— cro—nanogeometricalmeasurement．Therefore，ahighresolution，smallsizedcapacitancesensorwas fabricatedbasedonnon—siliconMicro—electronic—mechanicalsystem (M EMS)technology ． Bydesigning thepackagingandweak—capacitanceacquisitionsystem ofthe