ЛИНЕЙНЫЕ И УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
53.072.8:53.081.7:53.043
Разработка и создание направляющей линейного перемещения с нанометровым отклонением от линейности на субметровых масштабах
базы измерений
В. Б. ЛОГИНОВ1, В. И. ТРОЯН1, П. В. БОРИСЮК1, Е. В. ЧУБУ НОВА1,
А. Г. ЕЛКИН2, Б. А. ЛОГИНОВ2
1 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия,
e-mail: vitroyan@mephi.ru,
2 Национальный исследовательский университет «МИЭТ», Москва, Россия,
e-mail: bloginov@miet.ru
Представлен метод создания современных направляющих линейного перемещения и разработана конструкция средства измерений геометрии поверхности с базой 220 мм, диапазоном измерений по высоте 100 мм, отклонениями от линейности по высоте 15 нм. Предложены пути устранения вибраций, возникающих на границе раздела направляющая—каретка, а также модернизированная система регистрации профиля поверхности в сочетании с более чувствительным индукционным датчиком.
Ключевые слова: направляющие линейного перемещения, аттестация шероховатости поверхности, кон-турограф.
A method of creation of modern linear displacement guide rails and a metrological instrument of the surface geometry measurement with a measuring base of 220 mm and a height range of 100 mm and with height deviation error 15 nm are presented. The ways of removal of vibrations on the interface «guide rails — carriage» and a modification of registration system of surface profile with a sensitive inductive sensor has been suggested.
Key words: linear displacement guide rail, surface roughness certification, contour measuring instrument.
В настоящее время актуальны координатные измерения геометрических параметров шероховатости поверхности на базе до 200 мм [1]. Шероховатость поверхности существенно влияет на износостойкость подвижных соединений скольжения и качения, их герметичность при протекании жидкостей и газов по трубопроводам, адгезию фрикционных защитных покрытий, отражательную способность асферических зеркал большого радиуса, а также электронные свойства тонкопленочных структур. При этом требования к погрешности измерений размеров и шероховатости поверхности промышленных образцов в прецизионных наукоемких технологиях и полупроводниковой промышленности достигают 10—100 нм [ 1]. Особенно это важно при получении структур металл — диэлектрик — полупроводник нового поколения.
Координационные измерения шероховатости поверхности с заданной точностью большей частью осуществляют с использованием методов профило- и интерферометрии. Однако каждому из этих методов присущ ряд недостатков, которые могут приводить к дополнительным неопределенностям измерений и, следовательно, уменьшать их точность. В частности, при измерениях шероховатости поверхности интерферометрическим методом точность в значительной степени зависит от стабильности частоты лазерного излучения и может быть снижена в результате аберрации волновых фронтов оптической системы. Несмотря на то, что аберрации носят детерминированный характер и могут быть устранены с помощью математического моделирования, суммарная неопределенность измерений в результате такой
обработки увеличится. При измерениях шероховатости поверхности профилометрическим методом к существенному его недостатку можно отнести ограничение размеров базы измерений. На момент создания контурографа — метрологического средства измерений геометрических параметров поверхности с высокой точностью на базе более 100 мм — в России не существовало ни одного аналогичного прибора.
В [2] показано, что при использовании индукционного датчика в качестве элемента, регистрирующего отклонение профиля высоты, разрешающая способность контурографа может достигать 1 мкм. Заявленную погрешность получали благодаря использованию безлюфтовой механики и электроники, обеспечивающих безвибрационное вращение ротора ш агового двигателя с установленным на него тяговым микровинтом и прецизионное перемещение датчика по направляющей. Совокупность данных решений позволила разработать и создать прибор с погрешностью измерений на уровне 1 мкм, базой до 150 мм и диапазоном измерений по высоте до 100 мм. Однако из-за нелинейности передвижения измерительного датчика вдоль опорных линейных направляющих воспроизводимость результатов не позволяла использовать данный прибор для аттестации шероховатости порядка сотен или десятков нанометров.
В настоящей работе представлены методы создания современных направляющих линейного перемещения с отклонением от линейности менее 1 5 нм на базе до 220 мм. С этой целью предложены подходы к уменьшению трения и устранению вибраций, возникающих при перемещении каретки вдоль линейной направляющей, и доработке индук-
Рис. 1. Схема стенда для исследования трибологи ческих свой ств пары трения направляющая—каретка:
1 — основание стенда; 2 — собирающая линза; 3 — четырехсек-ционный фотодетектор; 4 — пружина; 5 — шаговый двигатель с приводом на микровинт; 6 — лазерный модуль; 7 — специальный столик, выполняющий роль каретки;
ционного датчика. Экспериментальная реализация предложенных методов и подходов позволила получить средство измерений профиля поверхности на базе 220 мм с погрешностью 10 нм.
Линейная направляющая, относительно опорной поверхности которой снимается форма и рельеф диагностируемого образца, является оригинальным и одним из ключевых элементов сконструированного прибора. Обычно производители обрабатывающей и измерительной техники выполняют такие направляющие из упрочненной стали и чугуна, цветных сплавов или высокопрочных пластмасс. Однако вследствие изменения формы направляющей на десятки микрометров в процессе ее обработки и эксплуатации [3—5], такие материалы не подходят для изготовления направляющих для измерений с погрешностью до единиц нанометров без калибровки, проведение которой на регулярной основе ввиду высокой стоимости и малого срока эксплуатации образцов представляется затруднительным. Перечисленные выше проблемы были преодолены путем использования в качестве материала направляющей монокристалла кремния Б^100) [6]. Преимуществом монокристалла Si более высокой чистоты по сравнению с другими материалами является стабильность геометрии его кристаллической решетки (данный факт позволяет сохранить форму направляющей в течение всего времени использования в приборе), низкая стоимость и доступность.
Отдельно была рассмотрена задача по уменьшению вибраций, обусловленных трибологическими свойствами пары трения направляющая—датчик. При перемещении измерительного датчика вдоль линейной направляющей в совре-
Г, Н
0,5 I-
0,40,3-
0 20 40 60 80 100 120
и С
Рис. 2. Временная зависимость силы упругости, измеренная с помощью стенда (см. рис. 1) в режиме линейного перемещения столика с фторопластовой подложкой по кремниевому основанию
менных измерительных устройствах используют либо шариковые (роликовые) направляющие, либо перемещение путем скольжения по направляющей. Согласно [7] перемещение с помощью шариковых направляющих создает дополнительные вибрации порядка 8 мкм, а для роликовых — более 4 мкм, что делает невозможным измерение образцов с погрешностью 10—100 нм. Для достижения заданной точности единственным решением было использование перемещения путем скольжения по направляющей [8]. При этом становится актуальной задача по подборке материала, при перемещении которого по монокристаллу Si выполняется условие: вибрациями можно пренебречь.
Для решения поставленной задачи и исследования три-бологических свойств материалов был сконструирован специальный стенд (рис. 1), состоящий из семи основных узлов. Узел 1 служит основанием. В качестве материала для его изготовления использовали кристалл Б^100), вырезанный из кремниевой пластины диаметром 300 мм. Трибологичес-кие свойства исследовали путем перемещения по основанию стенда специального столика 7, утяжеленного образцовым килограммом (с воспрозводимостью 10-5 кг), под ножки которого подкладывали различ ные подложки трения. Прецизионное передвижение столика обеспечивали с помощью микровинта и шагового двигателя 5, имеющего 200 шагов на один оборот. Шаговым двигателем управляли с помощью оригинального программного обеспечения и блока электроники, позволяющими каждый шаг делить на 2000 микрошагов. Таким образом, за один оборот двигатель совершал 400000 шагов (0,0009 °/шаг), что в абсолютных значениях перемещения составило 2 нм/шаг. Для измерений силы трения шаговый двигатель присоединяли к пружине 4 с известным модулем упругости. Также к пружине крепился лазерный модуль 6, излучение которого фокусировали собирающей линзой 2 в точке, удаленной на расстояние 100 мм от ее центра. Отклонение пружины от положения равновесия детектировали ч етырехсекционным фотодиодом 3, установленным так, чтобы в начальный момент сфокусированное линзой пятно попадало точно в центр фотодиода. Результирующий сигнал фотодиода усиливали и обрабатывали электронными средствами. При растяжении или сжатии пружины формировался сигнал, который отображался на осциллографе, присоединенном к компьютеру.
В результате подбора различных материалов было установлено, что наилучшей парой трения по отношению к кремниевой подложке является фторопласт. Зависимость силы упругости в режиме линейного растяжения от времени для одного цикла испытаний представлена на рис. 2. Началу эксперимента соответствует точка 27 с по шкале времени. Далее посредством вращения винта пружину растягивали до тех пор, пока сила у пругости, действующая на столик, не уравновешивалась в абсолютном значении максимальной силой трения покоя, возникающей на границе раздела кремний—фторопласт. В момент времени t = 29 с, когда модуль силы упругости Гупр достигает значения, соответствующего
максимальной силе трения покоя Г1^*, столик переходит к
скольжению, расходуя часть накопленной упругой энергии на преодоление диссипаций, обусловленных потерями энергии на работу, совершаемую силой трения между поверхностями. Из рис. 2 следует, что максимальное значение силы трения скольжения для пары трения кремний—фторопласт
не превышает 0,45 Н. Дополнительный анализ результатов экспериме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.