[實(shí)用新型]一種基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201220709762.5
• 申請日: 2012-12-20
• 公開（公告）號: CN202974174U
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 雷李華;蔡瀟雨;李源;吳俊杰;傅云霞;耿鋒;翁浚婧
• 申請（專利權(quán)）人: 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院
• 主分類號: G01B7/00
• 分類號: G01B7/00;B81B7/04
• 代理公司: 上海浦東良風(fēng)專利代理有限責(zé)任公司 31113
• 代理人: 陳志良

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種超精密尺寸三維測量工具，特別是公開一種基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭，用于微結(jié)構(gòu)的亞微米級幾何量3D測量。

背景技術(shù)

隨著超精密加工技術(shù)、MEMS加工工藝的快速發(fā)展，半導(dǎo)體工業(yè)中高精度相關(guān)微小器件和結(jié)構(gòu)的制造得到了極大的發(fā)展，主要體現(xiàn)在尺寸跨度越來越大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度越來越高，制造精度不斷提高，因而對微納米尺寸測量與表征技術(shù)提出了更高的要求。從工程設(shè)計(jì)到樣機(jī)研究制造再到質(zhì)量控制分析以及最終的在產(chǎn)品的制造和最終的元件和工件的檢查，幾乎所有的領(lǐng)域，微納米尺寸測量與表征技術(shù)的影響力越來越大。這推動了基于新原理、新算法、更高精度和尺寸跨度的測量裝置的研究。具有大范圍、高精度，開發(fā)研究用于測量三維尺寸、位置和其他形貌特征的坐標(biāo)測量方法和相應(yīng)的裝置，成為微器件和微結(jié)構(gòu)測試領(lǐng)域的主要研究工作。

坐標(biāo)測量技術(shù)以傳統(tǒng)的坐標(biāo)測量機(jī)為測量平臺，結(jié)合觸發(fā)式或者模擬式測頭對被測工件進(jìn)行檢測，但傳統(tǒng)的坐標(biāo)測量技術(shù)的檢測精度只能達(dá)到微米或者幾百納米，已經(jīng)不能滿足上述的測量的要求。許多的工業(yè)機(jī)構(gòu)以及科研領(lǐng)域都要求亞納米分辨率的三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)來測量分辨率高，機(jī)械性能好的光學(xué)元件。并且可以測量用來制作顯微鏡頭的制作元件及制作工具。為了達(dá)到上述要求，納米定位和納米測量儀器必須升級為同時擁有3D功能和3D接觸式探針功能的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，設(shè)計(jì)一種基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭，本實(shí)用新型結(jié)合精密裝配技術(shù)，采用MEMS微加工工藝，可用作納米坐標(biāo)測量機(jī)的零點(diǎn)定位傳感器，實(shí)現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)及器件的測量和表征。

本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭，所述的測頭由方形底板、電容傳感器陣列、十字梁和測針組成，其特征在于：所述的測頭有多個電容傳感單元，呈陣列式分布于方形底板上，測針連接在十字梁的中心連接體上，十字梁的懸臂與電容傳感器上極板相連，上極板通過微彈簧懸掛單元懸掛，所述上極板的懸掛采用若干個微彈簧實(shí)現(xiàn)，微彈簧不僅用于固定電容傳感器的上極板，還用于支撐十字梁和測針重量，由測針及十字梁組成的杠桿結(jié)構(gòu)將被測物的橫向位移放大并轉(zhuǎn)化為電容上極板的軸向位移，解決單個電容傳感器測量時橫向分辨力低的問題。采用4個電容傳感器組成圓周陣列作為敏感單元，同一方向上的兩個電容傳感器連接成差動方式，提高測頭靈敏度和抗干擾能力。所述的測頭有兩種裝配方式，根據(jù)不同的測量場合選擇支撐型或懸掛型裝配方式。

本實(shí)用新型一種基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭具有以下特征：

1、所述的十字梁和測針作為位移傳遞單元，電容傳感器陣列作為敏感單元。測針由測端球和測桿組成，利用環(huán)氧樹脂固定在十字梁的中心連接體中央。測量時，測端球的位移通過測桿和十字梁傳遞到電容傳感器的上極板，引起電容傳感器極板間距離和面積的改變，從而使電容值發(fā)生變化。通過檢測電容值的變化量，建立合理的數(shù)學(xué)模型，即可得到微小位移量。

2、采用MEMS微加工工藝，在方形底板上制作電容傳感器陣列。電容傳感器包括上極板、下極板和上極板懸掛單元三部分。上極板的懸掛采用4個微彈簧實(shí)現(xiàn)，微彈簧性能的好壞直接影響測量精度。微彈簧的數(shù)量及強(qiáng)度可根據(jù)十字梁及測針的重量確定，也可設(shè)計(jì)為具有8個微彈簧的懸掛單元。

3、十字梁的作用是將測針測端球的位移傳遞給電容傳感器陣列，從而改變傳感器電容值。同時，十字梁應(yīng)具有較好的剛度，以減小因懸臂變形引入的誤差。十字梁的中心連接體厚度設(shè)計(jì)為與懸臂相同，以減少重量，從而減小懸臂變形。懸臂長度可根據(jù)靈敏度要求確定，理論上懸臂越長，檢測的靈敏度越高，但是隨著長度的增加，由重力及測量力引起的懸臂擾度也隨著增大。

4、針對十字梁及測針的自重問題，亦可通過在中心連接體下部或上部加裝彈簧進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)彈簧位于下部時，處于壓縮狀態(tài)；位于上部時，處于拉伸狀態(tài)。

5、測針的測桿采用碳化鎢材料，以保證剛度及減小測針的重量；測端球采用紅寶石材料，以減小球體的磨損和變形，紅寶石是已知的最硬的材料之一。

6、為保證測針與十字梁、十字梁與電容傳感器陣列連接的垂直度及可靠性，使用高精度粘針平臺進(jìn)行裝配。

7、采用4個電容傳感器組成敏感單元陣列，相對于傳統(tǒng)的單個電容結(jié)構(gòu)，有效地提高了位移檢測的靈敏度，特別是對于橫向尺寸的測量，由測針及十字梁組成的杠桿機(jī)構(gòu)對橫向位移有一個放大作用，并能將其轉(zhuǎn)化為電容極板的軸向運(yùn)動，對于采用電容方法檢測微小位移具有重要意義。