微纳米加工技术的迅速发展对精密工程领域的测量精度提出了更高的要求,探头系统作为微纳米三坐标测量机的关键组成部分,在很大程度上决定了三坐标测量系统的精度。根据国内外微纳米三坐标探头的研究现状,本文提出了一种基于单个光电传感器的三维接触触发式探头,并完成了以下工作:1、根据弹性机构的参数要求选择合适形状尺寸的探针、簧片和悬浮片,并利用ANSYS仿真软件对弹性机构进行仿真,验证弹性机构在刚度和固有频率两方面可以满足探头的需求,完成弹性机构的优化设计。2、对探头中光电传感器的光路进行分析,并建立三维方向的灵敏度模型,根据三维方向等灵敏度的原则对探头结构进行优化,得到探头各个光学器件的相对位置和尺寸参数。3、将结构优化后的探头进行加工、组装、调试,以PI台作为测试基准搭建测试平台,分别对探头的灵敏度、重复性、分辨率、稳定性各项性能进行测试。实验结果表明:探头在x、y、z三个方向的灵敏度近似相等,分别为0.42、0.44、0.40V/?m,符合灵敏度优化模型;探头允许的测量范围大于14?m,1?m定点重复性测试优于15nm,最小分辨力优于5nm,探头在2h内漂移小于24nm。4、为验证探头的测量精度,使用0级平晶和4微米阶高对探头进行验证性实验。分别对平面度和阶高进行测量,实验结果表明:0级平晶的平面度标准差为25nm,4微米阶高的测量平均值为4.094?m,标准差为38nm,符合微纳米三坐标测量机对精度的测量要求。5、对探头在设计、装配和测试过程中存在的误差进行了分析。