專利名稱：一種用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種長度計量測試和微納米坐標(biāo)測量的裝置及方法，特別是公開一種
用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭測量方法與裝置。
背景技術(shù)：
微納米測量技術(shù)是微米納米技術(shù)發(fā)展的保障，也是其重要的組成部分。隨著以半 導(dǎo)體技術(shù)、MEMS技術(shù)、超精密加工技術(shù)為代表的微納米制造技術(shù)的迅速發(fā)展，對微納米尺度 下的幾何量測量也有了更多的需求，其測量任務(wù)主要包括以下幾個方面[1] :1)沿著同一 方向的兩個表面之間的距離2)兩個相反表面之間的距離3)沿著垂直方向的兩個平面之間 的距離4)表面形貌5)厚度6)結(jié)構(gòu)的深寬比7)粗糙度8)平整度。這些測量任務(wù)具有以 下特點[2] :1)測量力引起的誤差較大2)定位誤差較大3)溫度引起的誤差小4)被測件輪 廓影像易受異物的影響5)衍射效應(yīng)的影響大。從測量分類來講，可以分為平面測量、離面 測量、2. 5維測量、三維測量等幾個方面。 微納米尺度測量的儀器有很多種。其中，光學(xué)顯微技術(shù)和掃描電鏡技術(shù)主要應(yīng)用 在平面測量中，而觸針式輪廓儀(包括機(jī)械和光學(xué)觸針兩種)等方法主要應(yīng)用在臺階高度 等離面測量中，而掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等主要用于表征器件和結(jié)構(gòu)表面的尺寸 信息。在微納尺度三維測量領(lǐng)域，共聚焦顯微鏡、白光干涉測量、微納坐標(biāo)測量機(jī)等儀器和 方法是目前比較常見的測量手段。但是，由于受到光學(xué)衍射極限的限制、被測器件的光學(xué)反 射率的要求、以及光學(xué)方法對被測結(jié)構(gòu)的側(cè)壁、邊沿?zé)o法測量的缺陷，光學(xué)測量方法并不能 開展真正的三維測量。 因此，微納坐標(biāo)測量技術(shù)是目前解決微納尺度三維測量問題的相對有效的手段， 也是當(dāng)前微納米尺度幾何量測量的一個研究熱點。為了應(yīng)對微納米尺度下的幾何量測量的 要求(包括提高測量精度、提高工作效率、應(yīng)對愈加復(fù)雜的被測結(jié)構(gòu)和器件等)，研制特殊 用途的測頭系統(tǒng)，利用超精密三維位移平臺，組建一套測量裝置，經(jīng)過對測頭系統(tǒng)三維位移 平臺的校準(zhǔn)，用于微納米坐標(biāo)測量，對于微納米尺度幾何量測量具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭測量方法與裝置，可對
多測頭系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，多個測頭協(xié)同完成被測工件的測量工作，減少測頭較長距離移動，提 高工作效率。還有，可將多測頭系統(tǒng)的各個測頭看作獨立的單測頭工作模式，各個測頭分別
對被測尺寸進(jìn)行測量，并將多次測量結(jié)果求取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，減少由于工作原理缺陷引 入的誤差，提高測量精度。同時，解決測量時測頭意外損壞的問題，不需要重新安裝和校準(zhǔn) 測頭，而是切換測頭，繼續(xù)進(jìn)行測量。因此，多測頭系統(tǒng)的測量裝置可以提高測量的可靠性， 工作效率和精度。 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭測量裝置如圖1所示。 一種 用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭系統(tǒng)的測量裝置，將微納米多測頭系統(tǒng)安裝在三維高精度位移平臺上，構(gòu)成一套測量裝置，三維位移平臺由X向平移臺，Y向平移臺和Z向平移臺組裝 而成，Z向平移臺上安裝載物臺，載物臺上表面為水平面，用于放置被測工件，載物臺下面有 俯仰和偏擺微調(diào)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)整載物臺的承載面，使之與三維平臺的Z向嚴(yán)格垂直；在三維 位移平臺的周圍位置有4個立柱，4個立柱上安裝一塊平板，多測頭系統(tǒng)通過夾持機(jī)構(gòu)固定 在平板上。三維位移平臺的X，Y和Z軸的精度，可用激光干涉儀進(jìn)行校準(zhǔn)，4個立柱之間留 有很大空間，便于放置干涉儀的鏡組和調(diào)試校準(zhǔn)。多測頭系統(tǒng)的測量裝置放置在隔離腔中， 與外界環(huán)境相隔離，減少干擾。測量裝置的控制信號和多測頭系統(tǒng)的傳感信號的各導(dǎo)線由 隔離腔上的孔引到外面，與數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)，控制箱和計算機(jī)相連。多測頭系統(tǒng)的三維 測量裝置的工作原理框圖如圖2所示。 多測頭系統(tǒng)的統(tǒng)一坐標(biāo)系。在載物臺上放置標(biāo)準(zhǔn)塊，依次對各個測頭的X+， X-， Y+，Y-的各個方向的靈敏度，分辨力，以及各測頭之間位置進(jìn)行校準(zhǔn)。給各測頭編號，從俯視 測頭的角度看去，將左下角的測頭作為1號測頭，按照順時針順序，依次測頭編號為1號，2 號，……，n號，其中n〉2。在圖l，圖2和圖3中均取n = 4。將l號測頭作為主測頭，其 中心作為多測頭系統(tǒng)坐標(biāo)系的原點，將其他幾個測頭所在位置坐標(biāo)依次匹配到坐標(biāo)系中。
多測頭系統(tǒng)的校準(zhǔn)。以對各測頭的Y-方向校準(zhǔn)為例，如圖3(a)所示。將標(biāo)準(zhǔn)塊 放在載物臺上的中間位置，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)塊的工作面朝向Y+方向，并與Y軸垂直。通過計算機(jī) 控制三維位移平臺的移動，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)塊工作面接觸1號測頭時，產(chǎn)生觸發(fā)信號，作為坐標(biāo)系Y 軸零點?？刂迫S平臺的移動，用標(biāo)準(zhǔn)塊依次接觸2號，3號，……，n號測頭，并分別記錄 Y軸平移臺的位移量，作為2號，3號，……，n號測頭的Y-向在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。同樣，用 標(biāo)準(zhǔn)塊校準(zhǔn)各測頭的X+， X-和Y+方向在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。然后，將標(biāo)準(zhǔn)塊的基準(zhǔn)面放置 在載物臺上，工作面朝向Z+方向，依次對各測頭的Z向在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，如圖3 (b)所示。 在每次用標(biāo)準(zhǔn)塊接觸測頭時，測頭傳感單元感應(yīng)的信號，轉(zhuǎn)換為電壓大小，由計算機(jī)記錄數(shù) 據(jù)和繪制曲線。根據(jù)三維平臺的位移量，分析測頭的靈敏度和分辨力。各個測頭在組成多 測頭系統(tǒng)之前，需要對測頭的球面半徑，靈敏度，分辨力等測頭參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)用 于測量過程中的誤差補(bǔ)償。 利用多測頭系統(tǒng)的測量裝置進(jìn)行測量。測量工件時，多測頭系統(tǒng)是固定的，被測工 件隨著三維平臺移動，由與被測點最近的測頭進(jìn)行測量。測量下一個點時，切換測頭，選擇 距離該點最近的測頭。切換測頭時，由計算機(jī)進(jìn)行控制，在軟件界面上選擇待用的測頭，將 DAQ卡的相應(yīng)通道打開，關(guān)閉其他通道。測量時，工作測頭將感應(yīng)信號傳輸?shù)紻AQ卡，其他測 頭處于不工作狀態(tài)。根據(jù)多測頭系統(tǒng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將每個被測點對應(yīng)的三維平臺各軸的位 移量，轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系中的各被測點對應(yīng)的坐標(biāo)，計算出被測尺寸。 本發(fā)明的有益效果是(l)多個測頭協(xié)同完成被測工件的測量工作，減少測頭較 長距離移動，提高工作效率。(2)可將多測頭系統(tǒng)的各個測頭看作獨立的單測頭工作模式， 各個測頭分別對被測尺寸進(jìn)行測量，并將多次測量結(jié)果求取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，減少由于工 作原理缺陷引入的誤差，提高測量精度。(3)解決測量時測頭意外損壞的問題，不需要重新 安裝和校準(zhǔn)測頭，而是切換測頭，繼續(xù)進(jìn)行測量。因此，多測頭系統(tǒng)的測量裝置可以提高測 量的可靠性，工作效率和精度。


圖1是本發(fā)明測量方法所用的測量裝置示意圖； 圖2是本發(fā)明測量方法所用的測量裝置的工作原理框圖； 圖3a是本發(fā)明測量方法所用的測量裝置校準(zhǔn)多測頭的X和Y軸坐標(biāo)的原理圖；
圖3b是本發(fā)明測量方法所用的測量裝置校準(zhǔn)多測頭的X和Z軸坐標(biāo)的原理圖；
圖4是本發(fā)明測量方法所用的測量裝置測量工作流程圖。 在圖1中1、平板；2、多測頭系統(tǒng)；3、立柱；4、載物臺；5、微調(diào)機(jī)構(gòu)；6、三維位移平臺。
具體實施例方式
根據(jù)附圖1和2，本發(fā)明方法所用的測量裝置，Z向平移臺上安裝載物臺4，載物臺 下面有俯仰和偏擺微調(diào)機(jī)構(gòu)5。在三維位移平臺6四周有4個立柱3，上面安裝一塊平板1 用于固定多測頭系統(tǒng)2。多測頭系統(tǒng)2的測量裝置放置在隔離腔中，測量裝置的控制信號和 多測頭系統(tǒng)的傳感信號與隔離腔外的DAQ卡，控制箱和計算機(jī)相連。將一個測頭中心作為 坐標(biāo)系的原點，把其他幾個測頭所在位置坐標(biāo)依次匹配到坐標(biāo)系中。對多測頭系統(tǒng)進(jìn)行校 準(zhǔn)，對各測頭在統(tǒng)一坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。測量時，由與被測點最近的測頭進(jìn)行測 量。測量下一點時，切換測頭，選擇距離該點最近的測頭。將各被測點對應(yīng)的三維位移平臺 的位移量，轉(zhuǎn)換為各被測點在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，計算出被測尺寸。 多測頭系統(tǒng)的校準(zhǔn)和其測量裝置的測量工作流程圖如圖4所示，其原理如附圖 3a、3b所示。多測頭系統(tǒng)的測量裝置要經(jīng)過安裝，校準(zhǔn)，測量和計算機(jī)軟件處理這幾個主要 環(huán)節(jié)，才能開展測量工作。對于測量精度要求較高的工件，可將多測頭系統(tǒng)的各個測頭看作 獨立的單測頭工作模式。各個測頭分別對被測尺寸進(jìn)行測量，并將多次測量結(jié)果求取平均 值和標(biāo)準(zhǔn)差，作為測量的最終結(jié)果。這種方法可以利用誤差的平均效應(yīng)，減少由于工作原理 缺陷引入的誤差，提高測量精度。 測量工件時，多測頭系統(tǒng)是固定的，被測工件隨著三維平臺移動，由與被測點最近 的測頭進(jìn)行測量。測量下一個點時，切換測頭，選擇距離該點最近的測頭。切換測頭時，由計 算機(jī)進(jìn)行控制，在軟件界面上選擇待用的測頭，將DAQ卡的相應(yīng)通道打開，關(guān)閉其他通道。 測量時，工作測頭將感應(yīng)信號傳輸?shù)紻AQ卡，其他測頭處于不工作狀態(tài)。根據(jù)多測頭系統(tǒng)的 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將每個被測點對應(yīng)的三維平臺各軸的位移量，轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系中的各被測點對應(yīng) 的坐標(biāo)，計算出被測尺寸。
權(quán)利要求
一種用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭測量方法，其特征在于將微納米多測頭系統(tǒng)安裝在三維高精度位移平臺上，構(gòu)成一套測量裝置，三維位移平臺由X向平移臺，Y向平移臺和Z向平移臺組裝而成，Z向平移臺上安裝載物臺，載物臺上表面為水平面，用于放置被測工件，載物臺下面有俯仰和偏擺微調(diào)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)整載物臺的承載面，使之與三維平臺的Z向嚴(yán)格垂直；在三維位移平臺的周圍位置有4個立柱，4個立柱上安裝一塊平板，多測頭系統(tǒng)通過夾持機(jī)構(gòu)固定在平板上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭測量方法，其特征在于 所述的三維位移平臺的X，Y和Z軸的精度，可用激光干涉儀進(jìn)行校準(zhǔn)，4個立柱之間留有很 大空間，便于放置干涉儀的鏡組和調(diào)試校準(zhǔn)，多測頭系統(tǒng)的測量裝置放置在隔離腔中，與外 界環(huán)境相隔離，減少干擾，測量裝置的控制信號和多測頭系統(tǒng)的傳感信號的各導(dǎo)線由隔離 腔上的孔引到外面，與DAQ卡，控制箱和計算機(jī)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭測量方法，其特征在于 在所述的載物臺上放置標(biāo)準(zhǔn)塊，依次對各個測頭的X+， X-， Y+， Y-的各個方向的靈敏度，分 辨力，以及各測頭之間位置進(jìn)行校準(zhǔn)，給各測頭編號，從俯視多測頭系統(tǒng)，將左下角的測頭 作為1號測頭，按照順時針順序，依次測頭編號為1號，2號，…，n號，其中n > 2，將1號 測頭作為主測頭，其中心作為多測頭系統(tǒng)坐標(biāo)系的原點，將其他幾個測頭所在位置坐標(biāo)依 次匹配到坐標(biāo)系中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭測量方法，其特征在于 對各測頭的X-方向校準(zhǔn)時，將標(biāo)準(zhǔn)塊放在載物臺上的左側(cè)中間位置，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)塊的工作面 朝向X+方向，并與X軸垂直，通過計算機(jī)控制三維位移平臺的移動，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)塊工作面接觸1 號測頭時，產(chǎn)生觸發(fā)信號，作為坐標(biāo)系X軸零點，控制三維平臺的移動，用標(biāo)準(zhǔn)塊依次接觸2 號，3號，……n號測頭，并分別記錄X軸平移臺的位移量，作為2號，3號，……n號測頭 的X-向在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，同樣，用標(biāo)準(zhǔn)塊校準(zhǔn)各測頭的X+， Y-和Y+方向在坐標(biāo)系中的 坐標(biāo)，然后，將標(biāo)準(zhǔn)塊的基準(zhǔn)面放置在載物臺上，工作面朝向Z+方向，依次對各測頭的Z向 在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，在每次用標(biāo)準(zhǔn)塊接觸測頭時，測頭傳感單元感應(yīng)的信號，轉(zhuǎn)換為電壓大 小，由計算機(jī)記錄數(shù)據(jù)和繪制曲線，根據(jù)三維平臺的位移量，分析測頭的靈敏度和分辨力， 各個測頭在組成多測頭系統(tǒng)之前，需要對測頭的球面半徑，靈敏度，分辨力等測頭參數(shù)進(jìn)行 校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)用于測量過程中的誤差補(bǔ)償。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭測量方法，其特征在于 測量工件時，多測頭系統(tǒng)是固定的，被測工件隨著三維平臺移動，由與被測點最近的測頭進(jìn) 行測量，測量下一個點時，切換測頭，選擇距離該點最近的測頭，切換測頭時，由計算機(jī)進(jìn)行 控制，在軟件界面上選擇待用的測頭，將DAQ卡的相應(yīng)通道打開，關(guān)閉其他通道，測量時，工 作測頭將感應(yīng)信號傳輸?shù)紻AQ卡，其他測頭處于不工作狀態(tài)，根據(jù)多測頭系統(tǒng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)， 將每個被測點對應(yīng)的三維平臺各軸的位移量，轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系中的各被測點對應(yīng)的坐標(biāo)，計 算出被測尺寸。
6. —種由權(quán)利要求1所述方法形成的用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭測量裝置，其特征 在于所述的測量裝置時將微納米多測頭系統(tǒng)安裝在三維高精度位移平臺上，所述的三維 高精度位移平臺由X向平移臺，Y向平移臺和Z向平移臺組裝而成，Z向平移臺上安裝載物 臺，載物臺上表面為水平面，載物臺下面有與承載物連成一體的俯仰和偏擺微調(diào)機(jī)構(gòu)，在三維高精度位移平臺的周圍位置有4個立柱，4個立柱上安裝一塊平板，所述的微納米多測頭 系統(tǒng)通過夾持機(jī)構(gòu)固定在平板中心的底面上。
全文摘要
本發(fā)明為一種用于微納米坐標(biāo)測量的多測頭測量方法與裝置。將微納米多測頭系統(tǒng)安裝在三維高精度位移平臺上，Z向平移臺上安裝載物臺，載物臺下面有俯仰和偏擺微調(diào)機(jī)構(gòu)。多測頭系統(tǒng)的測量裝置放置在隔離腔中，測量裝置的控制信號和多測頭系統(tǒng)的傳感信號與隔離腔外的DAQ卡，控制箱和計算機(jī)相連。將一個測頭中心作為坐標(biāo)系的原點，把其他幾個測頭所在位置坐標(biāo)依次匹配到坐標(biāo)系中。對多測頭系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，對各測頭在統(tǒng)一坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。測量時，由與被測點最近的測頭進(jìn)行測量。將各被測點對應(yīng)的三維位移平臺的位移量，轉(zhuǎn)換為各被測點在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，計算出被測尺寸。本發(fā)明方法具有工作效率高、測量精度高的優(yōu)點。
文檔編號G01B11/03GK101793499SQ20101013622
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者李源, 王麗華, 陳欣 申請人:上海市計量測試技術(shù)研究院