超精密硅片用三維磨削測(cè)力儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密儀器加工領(lǐng)域，涉及到超精密硅片加工，具體涉及到一種超精密 硅片用三維磨削測(cè)力儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 超精密磨削硅片的加工過程中，磨削力一方面直接反映了磨削振動(dòng)和砂輪磨損 等磨削狀態(tài)；另一方面，磨削力不僅會(huì)引起機(jī)床的變形，影響硅片加工精度，而且會(huì)導(dǎo) 致硅片磨削表面損傷，對(duì)硅片加工表面質(zhì)量有很大的影響，特別在硅片背面磨削減薄加工 中，由于加工硅片厚度越來越薄，磨削力的變化，極易引起硅片破碎，因而，在磨削硅片過 程中在線檢測(cè)磨削力動(dòng)態(tài)信號(hào)，對(duì)磨床動(dòng)態(tài)特性和砂輪磨削性能進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)磨削力 對(duì)砂輪進(jìn)給速度等工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)控制力磨削，使磨削過程處于最佳狀態(tài)， 對(duì)于提高硅片加工精度和表面質(zhì)量，保證硅片加工成品率非常必要。但現(xiàn)有的磨削測(cè)力儀 都有各自的應(yīng)用范圍和使用條件，使用具有較大的局限性，國(guó)外的一些測(cè)力儀工藝要求高、 成本高，不適合廣泛使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種超精密硅片用三維磨削測(cè)力儀， 通過在工作臺(tái)與被測(cè)硅片之間設(shè)置測(cè)力儀，監(jiān)測(cè)硅片磨削過程中的動(dòng)態(tài)力信號(hào)，以便根據(jù) 磨削力對(duì)砂輪進(jìn)給速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種超精密硅片用三維磨削測(cè)力儀，包括內(nèi)軸、砂輪、三維 測(cè)力平臺(tái)和傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器，所述被測(cè)硅片固定在三維測(cè)力平臺(tái)上，砂輪固定在內(nèi)軸 上磨削被測(cè)硅片，三維測(cè)力平臺(tái)將加工過程中的磨削力發(fā)送給傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器，所述 三維測(cè)力平臺(tái)包括多個(gè)三維力傳感器，所述三維力傳感器包括X方向電容單元組和Y方向 電容單元組，所述X方向電容單元組和Y方向電容單元組均包括電容單元模塊，所述電容單 元模塊是由兩個(gè)以上的條狀電容單元組成的梳齒狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)條狀電容單元包括上極板的 驅(qū)動(dòng)電極和下極板的感應(yīng)電極，所述電容單元模塊包括由兩個(gè)以上寬度％長(zhǎng)度h的條狀電 容單元組成的第一條狀電容單元組和兩個(gè)以上寬度k%長(zhǎng)度h的條狀電容單元組成的第二 條狀電容單元組。
[0005] 超精密硅片用三維磨削測(cè)力儀的傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器包括信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集 卡和工控機(jī)，所述三維力傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器轉(zhuǎn)換和放大后生成模擬信號(hào)，數(shù) 據(jù)采集卡將放大器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸入工控機(jī)。所述每個(gè)條狀電容單元 的驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極寬度相同，驅(qū)動(dòng)電極的長(zhǎng)度大于感應(yīng)電極長(zhǎng)度，驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)度兩端 分別預(yù)留左差位S左和右差位δ右，b 0驅(qū)=bos+S右+ δ左，其中，b0驅(qū)為條狀電容單元的驅(qū)動(dòng) 電極長(zhǎng)度，^為條狀電容單元的感應(yīng)電極長(zhǎng)度。，所述差位δ&= ，且S左，其 中Cltl為條狀電容單元介質(zhì)厚度，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量，τ _為最大應(yīng)力值。所述梳齒 狀結(jié)構(gòu)包括20個(gè)以上條狀電容單元、與條狀電容單元一一對(duì)應(yīng)連接的引線，相鄰兩條狀電 容單元之間設(shè)有電極間距a s。所述平行板面積S = M (a(l+2a s +kaj k/2，其中，M為條狀電容 單元數(shù)量，K為條狀電容單元的長(zhǎng)度，a(l條狀電容單元的寬度。所述第一條狀電容單元組和 第二條狀電容單元組的條狀電容單元引線通過并聯(lián)或者獨(dú)立連接到傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器。 所述條狀電容單元的寬度a() =$，其中，Cltl為介質(zhì)厚度，E為彈性介質(zhì)的楊氏模量，G為彈 性介質(zhì)的抗剪模量。所述第一條狀電容單元組和第二條狀電容單元組與傳感系統(tǒng)信號(hào)處理 器之間分別設(shè)有中間變換器，中間變換器用于設(shè)置電壓對(duì)電容或頻率對(duì)電容的傳輸系數(shù)。
[0006] 本發(fā)明的有益效果是：在磨削硅片過程中在線檢測(cè)磨削力動(dòng)態(tài)信號(hào)，對(duì)磨床動(dòng)態(tài) 特性和砂輪磨削性能進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)磨削力對(duì)砂輪進(jìn)給速度等工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整， 實(shí)現(xiàn)控制力磨削，使磨削過程處于最佳狀態(tài)，提高硅片加工精度和表面質(zhì)量，保證硅片加 工成品率。另外，本發(fā)明的測(cè)力儀具有很好的靜動(dòng)態(tài)特性，靈敏度高，線性、重復(fù)性好，零 點(diǎn)漂移小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易裝配和調(diào)試，成本較低，性能穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到CIRP 規(guī)定的磨削測(cè)力儀標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明的電容三維力傳感器，有效使用平板有效面積，并且通過驅(qū) 動(dòng)極板兩端預(yù)留長(zhǎng)度等方法有效解決三維力間耦合，從而使法向與切向轉(zhuǎn)換都達(dá)到較高的 線性、精度與靈敏度。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的條狀電容單元及其坐標(biāo)系。
[0008] 圖2是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的條狀電容單元示意圖。
[0009] 圖3是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的條狀電容單元右向偏移示意圖。
[0010] 圖4是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的條狀電容單元左向偏移示意圖。
[0011] 圖5是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的寬度為和!《^的電容對(duì)受力偏移圖。
[0012] 圖6是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的平行板三維力壓力傳感器極板分布圖。
[0013] 圖7為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】切向激勵(lì)的信號(hào)流程圖。
[0014] 圖8為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 其中，1硅片，2測(cè)力儀，3工作臺(tái)，4砂輪，5內(nèi)軸。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面對(duì)照附圖，通過對(duì)實(shí)施例的描述，本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如所涉及的各構(gòu)件 的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及 操作使用方法等，作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù) 方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。
[0017] 本發(fā)明的主要思路是：本發(fā)明的磨削測(cè)力儀，利用電容式壓力傳感器的縱向和剪 切效應(yīng)，將多個(gè)電容式壓力傳感器，按照一定的空間布局，構(gòu)建一個(gè)三維測(cè)力平臺(tái)，并與機(jī) 床工作臺(tái)固定，其上安裝被測(cè)工件，被測(cè)硅片吸附在測(cè)力儀上保證測(cè)試精度。砂輪磨削工件 產(chǎn)生磨削力，工件將磨削力傳遞到測(cè)力儀，測(cè)力儀感受磨削力并輸出，相對(duì)于砂輪的高速 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，測(cè)力儀運(yùn)動(dòng)形式與機(jī)床工作臺(tái)一致，基本上是平移或隨工作臺(tái)擺動(dòng)，砂輪固定 在內(nèi)軸上。
[0018] 磨削測(cè)力儀與傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器連接，構(gòu)成靜動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)信號(hào)處 理器包括信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)超精密磨床工作時(shí)，砂輪磨削硅片產(chǎn)生磨削力， 磨削力經(jīng)磨削測(cè)力儀輸出，輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器轉(zhuǎn)換和放大后生成模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)采集 卡將放大器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。對(duì)磨削測(cè)力儀施加標(biāo)準(zhǔn)載荷并進(jìn)行歸一化調(diào) 節(jié)，確定磨削測(cè)力儀的各向歸一化靈敏度，即磨削測(cè)力儀輸出量的變化與引起此變化的輸 入量的變化之比，由裝在工控機(jī)中的監(jiān)測(cè)軟件得出軸向力F z、徑向力Fx和切向力Fy的大 小，處理數(shù)據(jù)后建立磨削測(cè)力儀的"力值一一示值"標(biāo)定曲線，得到測(cè)力儀的一系列靜動(dòng) 態(tài)性能指標(biāo)。
[0019] 如圖4-6為本發(fā)明壓力傳感器的極板結(jié)構(gòu)圖，一種接觸式平行板三維力壓力傳感 器，所述傳感器包括傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器、與傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器分別連接的X方向電容 單元組和Y方向電容單元組，所述X方向電容單元組和Y方向電容單元組均包括電容單元 模塊，所述電容單元模塊采用由兩個(gè)以上的條狀電容單元組成的梳齒狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)條狀電 容單元包括上極板的驅(qū)動(dòng)電極和下極板的感應(yīng)電極。所述電容單元模塊包括由兩個(gè)以上寬 度％長(zhǎng)度b ^條狀電容單元組成的第一條狀電容單元組和兩個(gè)以上寬度ka ^長(zhǎng)度b ^條狀電 容單元組成的第二條狀電容單元組。所述每個(gè)條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極寬度相 同，驅(qū)動(dòng)電極的長(zhǎng)度大于感應(yīng)電極長(zhǎng)度，驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)度兩端分別預(yù)留左差位S&和右差位 δ右，b0驅(qū)=b0感+ δ右+ δ