Optimal design of spherical capacitive probe with ultra-large aspect ratio based on modal analysis

Abstract

In order to solve the problem of stylus vibration of the spherical capacitive probe with ultra-large aspect ratio, modal analysis of the stylus is done and optimal design of stylus structure is carried out. The Euler-Bernoulli Beam model is introduced to build the dynamic equation of lateral vibration of the stylus. Based on results of modal analysis and simulation, the first order natural frequency of the stylus is optimized to near 100 Hz, and the resolution of the probing sensor is improved from 20 nm to 4 nm with adoption of damping material. Zusammenfassung: Das Problem der Vibrationen bei Tastköpfen bei kapazitiven, kugelförmigen Sensoren mit übergroẞem Formfaktor beruht auf geringer Steifigkeit und geringem Dämpfungsaufbau. Um dieses Problem zu lösen, werden Modalanalysen und Simulationen des Tastkopfes durchgeführt und ein optimales Design der Taster-Struktur aufgezeigt. Mit Hilfe der Euler-BernoulliBalkentheorie wird die dynamische Gleichung für die Quervibration des Tasters entwickelt. Basierend auf den Ergebnissen zur Eigenwertanalyse und den Simulationen wird die Grundfrequenz erster Ordnung auf nahezu 100 Hertz optimiert. Die Ausgangsstabilität des Tastkopfes wird durch Einsetzen von Dämpfermaterialien von 20 nm auf 4 nm (Spitze-zu-Spitze-Wert) verbessert. Schlüsselwörter: Kugelförmig-kapazitiver Tastkopf, über-groẞer Formfaktor, Euler-Bernoulli-Balkentheorie, Eigenwertanalyse.