Главная » Просмотр файлов » Принципы нанометрологии

Принципы нанометрологии (1027506), страница 60

Файл №1027506 Принципы нанометрологии (Принципы нанометрологии) 60 страницаПринципы нанометрологии (1027506) страница 602017-12-21СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 60)

Both theTUE and the PTB probes are instrumented with piezoelectric strain sensorsthat have been etched onto the silicon suspension membrane. These willdetect when the probe makes contact with the measurement surface byproducing a voltage signal when membrane deformation occurs.FIGURE 9.7 Silicon micro-scale probe designed by [34], produced by chemicaletching and vapour deposition.277278C H A P T ER 9 : Coordinate metrologyWhen probes are refined to operate at even lower probing forces theirsilicon membranes or flexures can have the adverse effect of giving falsereadings due to inertia.

This means that the probes must be moved at veryslow speeds, which slows the measurement process. Membrane probes arealso unable to exert similar forces in all measurement axes, reducing theiraccuracy as true three-dimensional probes [37].In a further attempt to reduce the surface damage caused by probeinteractions, probes have been developed in both PTB [38] and NIST [39]that take optical measurements from illuminated glass fibres. One suchdesign is shown in Figure 9.8. The operating principle of fibre probe systemsis surprisingly simple.

The contact element of the probe is formed bya microsphere that is attached to the tip of a single optical fibre. An opticalsystem is then focused on the microsphere or the shaft of the glass fibre.Analysing the movement of either identifies contact with a measurementsurface. This results in a probe with a measurement force of the order of a fewhundred nanonewtons and a very high aspect ratio. Using a probe witha diameter of 75 mm and a length of 50 mm NIST has been able to investigatethe nozzles of fuel injectors and the diameters of optical ferrules to anuncertainty of 70 nm [39].FIGURE 9.8 The fibre probe developed by PTB. Notice the second microsphere onthe shaft of the fibre; this gives accurate measurement of variations in sample ‘height’(z axis) [38].Miniature CMM probesEven though reducing the probing interaction force reduces the problemof plastic deformation of the sample, it does not address the problems due tosurface forces.

These surface forces, including electrostatic, van der Waalsand the resulting interactions due to liquid films (see section 7.3.7), couldconceivably cause a false trigger in a low-force probe. These forces also havethe effect of producing ‘snap back’ on low-force probes when they retract fromthe measurement surface. Once the probe tip has come into contact with themeasurement surface, regardless of possible initial attraction or false triggering, the surface forces will tend to hold the probe head on the surface, evenwhile the CMM head is retracting. The result is that the probe will ‘snapback’ from the measurement surface, a movement that could cause seriousdamage to the probe.

The surface forces also cause a stick-slip phenomenonthat can seriously reduce the speed of measurement [40].Both measurement force and surface force problems have been addressedby the development of vibrating probes, whose basic concept is shown inFigure 9.9. Such probes are forced to vibrate at a specific frequency and smallamplitude by piezoelectric elements at the top of the probe shaft. Any contactmade with a measurement surface will result in a change in the frequency atwhich the probe vibrates that is detected by piezoelectric sensors [30].Modern piezoelectric sensors can detect very small changes in vibrationamplitude.

Therefore, registering a contact using this detection techniqueallows the measurement force to be greatly reduced.FIGURE 9.9 A vibrating fibre probe. The vibrating end forms a ‘virtual’ tip that willdetect contact with the measurement surface while imparting very little force [41].279280C H A P T ER 9 : Coordinate metrologyThis probing method also addresses the problem caused by the surfaceforces. After extensive investigation into the strength of the contact forces,the detection sensitivity can be tuned so that only a true surface contactregisters as a measurement, rather than probe interaction with surface forces.As such, vibrating probes have displayed an ability to repeatedly resolvesurface features of less than 5 nm [41].

However, even though currentvibrating probes exert low measurement forces and address the problem ofmeasurement errors due to surface interactions, they do not have the abilityto have the same probing interaction force (or compliance) in each axis.With the requirements of a high-accuracy micro-scale probe clearlydefined, developments have been made that address all of the main problemsfaced and extensive work is being carried out on integrating all theserequirements into one single system.

Current research includes the development of a fully 3D vibrating microprobe at NPL [42].Extensive work has also been carried out to alter existing surfacemeasuring systems so that they can cope with the high-aspect-ratio featuresthat this new generation of micro-scale probes hope to address [43]. A devicedeveloped at PTB consists of an AFM tip attached vertically onto the end ofa standard AFM cantilever, shown in Figure 9.10. The device was able to takeinternal measurements of sidewalls on MEMS devices [44].FIGURE 9.10 Vertical AFM probe for MEMS sidewall investigation [44].Calibration of miniature CMMsA simple procedure for calibrating the form of the probe tip, which isrelatively easy for millimetre-sized probes, becomes a significant challengewhen dealing with probes of a few tens of micrometres diameter.

Reversalmethods have been developed [25] and a stand-alone optical instrument hasbeen developed [45]. However, to date, accuracies of several tens of nanometres have been achieved – this will need to be improved for future, smallerprobes. The manufacture of ever-smaller probes is also a very difficult task.Drawn optical fibres [38] and micro-electro-discharge machining [46] techniques have been used to produce miniature balls on stems for probes but arefast approaching their manufacturing and materials limits [47,48].Optical methods have also been used in conjunction with miniatureCMMs. Optical probes are usually based on the same principles as those forsurface topography measurement (see section 6.7) and are summarized in[49].

Optical probes have also been developed that operate in a similarmanner to a tactile probe but with an interferometric output [50].9.6 Calibration of miniature CMMsMiniature CMMs suffer from geometric errors in the same way as large-scaleCMMs. With accuracy goals being higher for the miniature CMMs,the importance of a proper calibration of the instrument increases. Thepurpose of the calibration is to map the systematic errors of the miniatureCMM, so that they can be compensated for. Some effects will perhaps notbe compensated, but they still have to be measured in order to assign anuncertainty contribution to them.

If care is taken to ensure that all steps inthe calibration are traceable to the standard of length, this forms the basis forthe traceability of the miniature CMM as a whole.For large CMMs, it is customary for the manufacturer to performanceverify a CMM with gauge blocks according to ISO 10360 part 2 [11]. Theadvantages of gauge blocks as performance verification artefacts are that theycan be calibrated with low uncertainty (around 25 nm), and that their use inperformance verification is well established for large-scale CMMs. Because ofthe short shaft of miniature CMM stylus systems, it is typically not possibleto use the central length of the gauge block.

Probing will be close to theedge of the gauge block, which should be taken into account in the initialgauge block calibration. If the gauge block is rotated out of the horizontalplane, the CMM probe can no longer reach the bottom face of the gaugeblock, and an additional surface has to be wrung onto the gauge block.Some specialized artefacts have also been developed for performance verification of miniature CMMs.

For one-dimensional verification281282C H A P T ER 9 : Coordinate metrologymeasurements, METAS (the NMI in Switzerland) has developed miniatureball bars [51] (see Figure 9.11a), consisting of ruby spheres connected bya ZerodurÔ rod. Spheres are widely used in artefacts for performanceverification, because measuring the relative position of spheres eliminateseffects from the probe diameter, shape and sensitivity, thereby allowing verification of the guidance error correction only. However, the probe relatedeffects have to be verified in an additional test.Two-dimensional artefacts in the form of regular arrays of balls or holeshave been developed by PTB (see Figure 9.11b) [52].

PTB has also developeda 2D calotte plate and a 3D calotte cube (see Figure 9.11c and Figure 9.11d)[52]. As an option with the F25 miniature CMM, Carl Zeiss supplies a halfsphere plate with seven half spheres on a Zerodur plate (Figure 9.11e). Theuse of half spheres instead of full spheres gives better contrast in opticalmeasurements with a vision system.

By measuring a ball or hole plate indifferent orientations and using error separation techniques, it is possible toobtain the remaining errors of the CMM but not scale, without externalcalibration of the ball or hole positions.acbdeFIGURE 9.11 Miniature CMM performance verification artefacts. (a) METAS miniatureball bar, (b) PTB ball plate, (c) PTB calotte plate, (d) PTB calotte cube, (e) Zeiss halfsphere plate.Calibration of miniature CMMs9.6.1 Calibration of laser interferometer-based miniatureCMMsWith the calibration of the laser interferometers on a miniature CMM, thelength scale is established. The following geometrical errors have to becharacterized in order to establish traceability:-cosine errors;-Abbe errors;-mirror shape deviations;-squareness errors.The cosine error is directly related to the quality of the laser alignmentrelative to the mirror normal (see section 5.2.8.3).

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
7,74 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Почему делать на заказ в разы дороже, чем купить готовую учебную работу на СтудИзбе? Наши учебные работы продаются каждый год, тогда как большинство заказов выполняются с нуля. Найдите подходящий учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6505
Авторов
на СтудИзбе
302
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее