[發明專利]接觸式測頭及一種表面高反薄板材厚度測量方法

無效

• 申請號: 201310088985.3
• 申請日: 2013-03-19
• 公開（公告）號: CN104061866A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 崔華
• 申請（專利權）人: 昆山允可精密工業技術有限公司
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06
• 代理公司: 北京市振邦律師事務所 11389
• 代理人: 李朝輝

技術領域

本發明涉及檢測領域，具體涉及接觸式測頭及一種表面高反薄板材厚度測量方法。

背景技術

在半導體、太陽能、光學玻璃等行業中，有大量產品表面具有高亮度反光特性。如半導體行業中的芯片基材，厚度一般在0.3mm以下，材料為不銹鋼片、鎳片、鎳合金片、電鑄片等。根據性能要求不同，需要經過電鑄、電鍍、拋光、蝕刻等工序，最后才能加工成成品，無論是原材料、半成品或是成品，其表面均呈高亮反光特性。而太陽能行業中的晶圓（wafer），本身由4層材料構成，第1層為wafer層、第2層為粘合劑、第3層為玻璃、第4層為膠帶，各層之間通過壓合工藝制作成wafer成品，要保證最終成品厚度均勻性，就需要控制各層相互壓合后的厚度均勻性，尤其是wafer層和玻璃層，表面均具有高亮度反光甚至透明特性。光學玻璃行業中的各類鏡片，除自身為透明材質外，同樣具有高亮度反光特性。隨著市場對該行業產品性能提出越來越高的要求，這些基礎材料的厚度等重要特征的質量控制越來越嚴格，以確保最終成品的性能和可靠性。

針對這些具有高亮度反光特性的材料，以往厚度測量方法一般均是通過非接觸式測量方法來進行測量，測量原理為通過激光位移傳感器發出一束光，打在材料表面，以與入射光束呈一定角度反射，被激光位移傳感器信號接收窗口接收。如果材料表面凸凹不平，則會直接反映到接收窗口，并通過內部標尺，實時測量所反饋光束因材料表面高低不平所產生的位移變化量，通過機器視覺和圖像處理技術，即可計算出這個變化量的具體數值，最終計算出薄板材厚度。測量時，先將厚度為A的標準塊放置在測量工位上、下測頭之間的支撐平臺上，測量標準塊的厚度，以對測量系統進行校零操作。假定被測薄鋼板厚度為δ，則實際被測物厚度為δ=A-（x-a）-（y-b）。這種測量方法在針對具有高亮度反光特性的材料厚度測量時，材料表面微觀結構表現為類似“皺紋”狀特性。如圖1所示，這種微觀結構尺寸往往在10um甚至更小范圍內，但足以對激光光束反射角度造成較大影響，直接導致測量精度下降。另外，由于機器視覺和圖像處理技術發展到今天，最小分辨率還只能到亞微米級，使得最終精密薄材的測量精度難有突破，而高端電子產品市場對產品性能要求越來越高，從而對用于電路基材的各類薄板材也提出了更高的質量要求。傳統厚度測量方法難以滿足高精度測量需求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是解決表面高反薄板材厚度測量方法難以滿足高精度測量需求的問題。

為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是提供一種接觸式測頭，包括測頭安裝座、探針、方形空氣導軌、激光位移傳感器和光柵尺，所述測頭安裝座上固定有測頭安裝底板，所述測頭安裝底板上固定有方形空氣導軌，所述方形空氣導軌上端固定有空氣導軌進氣座，所述空氣導軌進氣座上設有空氣導軌導芯供氣接頭，所述方形空氣導軌包括導芯和套在所述導芯上的方形導軌導向座，所述導芯頂端設有進氣口，底端固定有所述探針，所述方形導軌導向座的一個外側面開有方形導軌進氣口，所述方形導軌導向座內設有導氣槽，四個內側面上開有導向面開口，所述導氣槽內的壓縮空氣進入導向面開口并在所述方形導軌導向座和導芯之間形成氣膜層，所述探針上套有精密彈簧，所述探針的底端固定有接觸工件表面的紅寶石球，所述光柵尺固定于所述導芯的頂端，通過與所述光柵尺平行安裝的所述激光位移傳感器來測定所述探針隨工件表面形貌變化而導致導芯上下垂直運動的位移量。

在上述接觸式測頭中，所述測頭安裝底板的頂端固定有與所述激光位移傳感器連接的傳感器數據傳輸線纜。

在上述接觸式測頭中，所述測頭安裝底板包括上端的頂板和底端的底板。

在上述接觸式測頭中，所述激光位移傳感器通過傳感器安裝板固定在所述測頭安裝底板上。

本發明還提供了一種表面高反薄板材厚度測量方法，采用兩個上下相對設置的上述接觸式測頭，包括以下步驟：

A10、測量前，通過進氣接頭分別給兩個測頭放入方形導軌導向座和導芯供氣，使得導芯在方形導軌導向座中處于懸浮狀態，能無摩擦地僅做垂直上下運動；

A20、當兩個測頭的探針下端的紅寶石球接觸到工件的上下表面時，則被測工件會瞬間有一個推動探針的作用力，隨后探針在接觸過程中處于垂直方向的力學平衡狀態中，并始終保證探針端部的紅寶石球與工件表面保持接觸；

A30、工件和上下兩個探針相對移動時，根據側頭上光柵尺的位移能夠測得工件的厚度變化。