专利名称：一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，其用途是作位移量的精
密测量，可用于机械、材料、电子、生物、仪器仪表等技术领域。
背景技术：
随着制造技术向着微观及高精度方向的发展，纳米测量技术及纳米加工技术已迅 速发展。目前，纳米测量主要有①扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)测量；②X射 线干涉仪测量；③法布里-珀罗标准具测微系统以及各类光学纳米测量等测量方法。扫描 隧道显微镜在探针与被测工件之间加上偏置电压，当探针与工件间的间隙小于5纳米时产 生隧道效应，流过这一间隙的电流对间隙大小十分敏感，保持隧道电流恒定或保持间隙恒 定，通过三维压电陶瓷驱动，可获得物体表面三维尺寸和轮廓形状。这种方法可获0. Olnm 的垂直方向分辨率和O. lnm的水平方向分辨率。X射线干涉仪是通过X射线照射硅晶片产生 衍射来进行测量，由于硅的晶格间距很稳定，约为0. 2nm，可实现纳米精度测量。法布里-珀 罗标准具测微系统结构复杂，具有很高的分辩率，可达2. IX 10—8nm。德国Heidenhain公司 已研制生产出了具有纳米分辨率的光栅尺，其分辨率为2nm，最大量程为20mm。
以上测量方法虽都可以进行纳米或纳米精度的测量，但有一个共同的弱点，就是 这些纳米测量技术均是非接触式测量，在大多数情况下，不能直接用于机械、电子等零件的 测量或机械位移的测量。因此，发明一种接触式的纳米位移传感器，对于机械、电子等零件 或机械位移的测量具有重要的意义。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有纳米测量技术中均是非接触式测量不足之处，为
纳米测量和纳米加工等纳米技术提供一种接触式的纳米位移传感器。
本发明的技术方案可以通过以下措施来达到 —种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，包括被测物体和绝缘外壳，其特征
在于在所述被测物体周围设置测头，测头上端连接在导杆上，石墨块设置在导杆的上面，
微进给机构作用时能驱动测头移动；在石墨块的上方，设置探针，探针连接在压电陶瓷管
上，压电陶瓷管与压电陶瓷驱动器连接，探针在压电陶瓷驱动器动作下伸长或收縮，石墨块
与探针构成隧道效应，在偏压电路中形成隧道电流；信号采集系统连接在偏压电路中，信号
采集系统采集偏压电路中的隧道电流信号，经信号处理系统处理后输送入压电陶瓷驱动器
内，作为压电陶瓷驱动器的反馈驱动信号，控制压电陶瓷驱动器产生动作。
进一步的特征是微进给机构驱动测头与被测物体接触后，微进给机构继续进给，
测头在被测物体的作用下通过导杆推动石墨块靠近探针，进入隧道效应状态。 由复位弹簧构成弹簧减震，再通过弱磁性永久磁铁环构成磁性阻尼减振。 本发明应用隧道效应构成纳米位移传感器，探针安装在经过精密标定的压电陶瓷
管上，石墨块安装在测头上端，在探针与石墨块之间构成偏压电路，当探针与石墨块之间的
3距离达到几纳米时，偏压电路产生隧道电流，根据隧道效应，隧道电流1 二V。e邓(-d)，隧道
电流与探针与石墨块之间的距离成指数函数，测出隧道电流的I，就可以算出探针与石墨块
之间的距离d。在非工作状态时，探针与石墨块之间的距离约为3-5 m，测量时通过微进给
机构使传感器缓慢接近被测物体，当传感器的测头与被测物体接触时，微进给机构继续进
给推动测头上端的石墨块向探针靠近，直到测头上端的石墨块与探针之间的距离达到产生
隧道效应时，微进给机构停止工作，传感器进入测量状态。本发明采用恒电流工作方式进行
测量，通过微进给机构调整探针与石墨块之间的距离，将隧道电流设定为一恒定值，当被测
物体的位置发生极其微小的变化时，探针与石墨块之间的距离发生同样大小的变化，隧道
电流随之发生改变偏离设定值，用隧道电流的变化量反馈控制加在压电陶瓷管上的驱动电
压，使压电陶瓷管伸长或收縮，保持探针与石墨块之间的距离恒定，从而使隧道电流保持在
设定值，记录下压电陶瓷上的驱动电压值就可以测算出物体的微小位移量。 本发明的基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，是一种接触式的纳米位移传感
器，能够测量相互接触零件之间细微到纳米级位移的变化，对于机械、电子等零件或机械位
移的测量具有重要的意义。本发明的传感器，易于操作和控制、测量精度高。在本发明的基
于隧道效应的接触式纳米位移传感器的基础上，可以构建纳米圆度测量系统等纳米测量系统。


下面结合附图对本发明作进一步的说明，附图的图面说明如下
图1是基于隧道效应的接触式纳米位移传感器原理示意图。
图2是基于隧道效应的接触式纳米位移传感器结构示意图。 图1中编号l-测头、2-被测物体、3-导杆、4-石墨块、5-偏压电路、6-信号采集系 统、7_信号处理系统、8_压电陶瓷驱动器、9_压电陶瓷管UO-探针、11_微进给机构。
图2中12-弱磁性永久磁铁环、13-绝缘外壳、14-绝缘陶瓷、15-RTV绝缘体、16-复 位弹簧、17-聚四氟乙烯绝缘层、18-偏压线、19-陶瓷基座。
具体实施例方式
如图1、2中，本发明的基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，包括测头1、被测 物体2、导杆3、石墨块4、偏压电路5、信号采集系统6、信号处理系统7、压电陶瓷驱动器8、 压电陶瓷管9、探针10、微进给机构11、弱磁性永久磁铁环12、绝缘外壳13、绝缘陶瓷14、 RTV绝缘体15、复位弹簧16、聚四氟乙烯绝缘层17、偏压线18和陶瓷基座19 ;测头1设置 在被测物体2周围(图中是设置在其上面)，测头1上端连接在导杆3上，石墨块4设置在 导杆3的上面或顶端，微进给机构11作用时能驱动测头1移动，微进给机构11或通过导杆 3驱动测头1移动；微进给机构11是现有技术中能产生进给动作的电动或手动装置。在石 墨块4的上方，设置探针10，探针10连接在压电陶瓷管9上，压电陶瓷管9与压电陶瓷驱动 器8连接，探针10、压电陶瓷管9在压电陶瓷驱动器8动作下伸长或收縮，通过石墨块4与 可伸出或縮短的探针10构成隧道效应，在偏压电路5中形成隧道电流。信号采集系统6连 接在偏压电路5中，信号采集系统6采集偏压电路5中的隧道电流信号，经信号处理系统7 处理后输送入压电陶瓷驱动器8内，作为压电陶瓷驱动器8的反馈驱动信号，控制压电陶瓷驱动器8产生动作，以驱动压电陶瓷管9伸长或收縮，从而控制石墨块4与探针10之间的 间隙d保持恒定。本发明的偏压电路5、信号采集系统6、信号处理系统7、压电陶瓷驱动器 8、压电陶瓷管9、探针IO等，是现有技术中的装置。 图2所示是本发明位移传感器的一种具体实施例结构示意图，为了降低甚至消除 环境中的各种振动因素对传感器测量精度的影响，在传感器的绝缘外壳13内设置弱磁性 永久磁铁环12、绝缘陶瓷14、 RTV绝缘体15、复位弹簧16、聚四氟乙烯绝缘层17，由复位弹 簧16构成弹簧减震，再通过弱磁性永久磁铁环12构成磁性阻尼减振，消除环境中的各种振 动因素对传感器测量精度的影响。石墨块4设置在绝缘陶瓷14上面，RTV绝缘体15设置 在探针IO周围，尽可能降低探针IO受到外界的影B向，以提高测量精度；复位弹簧16产生弹 力，使其具有复位作用，导杆3和测头1能复位；在压电陶瓷管9周围设置聚四氟乙烯绝缘 层17，大幅度提高其绝缘性能。偏压线18是偏压电路5的一部分，通过绝缘外壳13上的孔 传输到外部，与偏压电路的其他部件连接，构成偏压电路5。 本发明的测量工作原理微进给机构11工作时驱动测头1移动，当测头1与被测 物体2接触时，微进给机构11继续驱动，测头1通过导杆3推动石墨块4向探针10靠近， 当石墨块4与探针10之间的间隙d达到几纳米时，间隙被击穿，偏压电路5产生隧道电流， 这时微进给机构ll停止进给，传感器进入工作状态。当被测物体2发生微小的位移变化 时，石墨块4与探针10之间的间隙d将随之变化，隧道电流发生变化，信号采集系统6将隧 道电流的变化采集后送入信号处理系统7，信号处理系统7将隧道电流的变化反馈控制压 电陶瓷驱动器8，压电陶瓷驱动器8控制压电陶瓷管9伸长或收縮，保持探针10与石墨块 4之间的距离恒定，从而使隧道电流保持在设定值，记录下压电陶瓷上的驱动电压值就可以 测算出物体的微小位移量。
权利要求
一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，包括被测物体(2)和绝缘外壳(13)，其特征在于在所述被测物体(2)周围设置测头(1)，测头(1)上端连接在导杆(3)上，石墨块(4)设置在导杆(3)的上面，微进给机构(11)作用时能驱动测头(1)移动；在石墨块(4)的上方，设置探针(10)，探针(10)连接在压电陶瓷管(9)上，压电陶瓷管(9)与压电陶瓷驱动器(8)连接，探针(10)在压电陶瓷驱动器(8)动作下伸长或收缩，石墨块(4)与探针(10)构成隧道效应，在偏压电路(5)中形成隧道电流；信号采集系统(6)连接在偏压电路(5)中，信号采集系统(6)采集偏压电路(5)中的隧道电流信号，经信号处理系统(7)处理后输送入压电陶瓷驱动器(8)内，作为压电陶瓷驱动器(8)的反馈驱动信号，控制压电陶瓷驱动器(8)产生动作。
2. 根据权利要求1所述的一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，其特征在于 微进给机构(11)驱动测头(1)与被测物体(2)接触后，微进给机构(11)继续进给，测头 (1)在被测物体(2)的作用下通过导杆(3)推动石墨块(4)靠近探针(IO)，进入隧道效应 状态。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，其特征在 于信号处理系统(7)记录下压电陶瓷驱动器(9)上的驱动电压值，测算出被测物体(2)的 微小位移量。
4. 根据权利要求1或2或所述的一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，其特征 在于绝缘外壳(13)内设置弱磁性永久磁铁环(12)和复位弹簧(16)，由复位弹簧(16)构 成弹簧减震，再通过弱磁性永久磁铁环(12)构成磁性阻尼减振。
全文摘要
本发明公开了基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，在被测物体周围设置测头，测头上端连接在导杆上，石墨块设置在导杆的上面，微进给机构作用时能驱动测头移动；设置在石墨块上方的探针连接在压电陶瓷管上，压电陶瓷管与压电陶瓷驱动器连接，石墨块与探针构成隧道效应，在偏压电路中形成隧道电流；信号采集系统连接在偏压电路中，信号采集系统采集偏压电路中的隧道电流信号，经信号处理系统处理后输送入压电陶瓷驱动器内，作为反馈驱动信号，控制压电陶瓷驱动器产生动作。本发明的传感器，能够测量相互接触零件之间细微到纳米级位移的变化，对于机械、电子等零件或机械位移的测量具有重要的意义；易于操作和控制、测量精度高。
文档编号G01B7/02GK101769711SQ20101010115
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者张微, 王春欢, 罗静, 詹捷 申请人:重庆理工大学