專利名稱：一種基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明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)計到樣機研究制造再到質(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
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，設(shè)計一種基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭，本發(fā)明結(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)測量機的零點定位傳感器，實現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)及器件的測量和表征。本發(fā)明是這樣實現(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。本發(fā)明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)量及強度可根據(jù)十字梁及測針的重量確定，也可設(shè)計為具有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動，對于采用電容方法檢測微小位移具有重要意義。8、由于米用多個電容傳感器,且處于同一方向的兩個電容傳感器上極板運動方向相反，故可將其連接成差動形式，不僅可以提高檢測靈敏度，還能有效消除干擾，提高位移檢測精度。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用電容傳感器陣列作為敏感單元，通過設(shè)計十字梁，將測針的橫向位移轉(zhuǎn)變成了軸向位移，彌補了單個電容傳感器橫向分辨力低的缺陷。相比于單個電容傳感器的測頭結(jié)構(gòu)，本發(fā)明不僅提高了分辨力和精度，還有效拓展了橫向測量范圍。當(dāng)檢測同一方向位移的電容工作于差動方式時，分辨力和抗干擾能力將得到進(jìn)一步提聞。


圖1是本發(fā)明基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的十字梁結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的測針結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明的電容傳感器陣列的差動接法示意圖。圖6是本發(fā)明的裝配方式二結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、電容傳感器；2、十字梁；3、測針；4、方形底板；5、上極板；6、下極板；7、限位孔；8、微彈簧；9、懸臂；10、中心連接體；11、絕緣層；12、測桿；13、測端球；14、連接線I; 15、連接線II; 16、連接線III; 17、焊盤。
具體實施例方式根據(jù)附圖1 5，本發(fā)明一種基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭，測頭由方形底板4、電容傳感器陣列、十字梁2和測針3組成。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3連接在十字梁2的中心連接體10上，十字梁2的懸臂9與電容傳感器I的上極板5相連，上極板5通過若干個微彈簧8懸掛單元懸掛，微彈簧8不僅用于固定電容傳感器I的上極板5，還用于支撐十字梁2和測針3重量，由測針3及十字梁2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5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。本發(fā)明采用4個電容傳感器I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。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。根據(jù)附圖1和2，本發(fā)明的方形底板4中間開有一個測針3的限位孔7，用以限制測針3的橫向移動范圍，從而起到保護(hù)電容傳感器陣列的作用。如果測針3的橫向移動范圍過大，可能導(dǎo)致微彈簧損壞及上下極板短路。本發(fā)明的電容傳感器采用4個電容傳感器作為敏感單元，呈圓周陣列方式均勻地排布在方形上，X、Y向各兩個。電容傳感器I的上極板用4個微彈簧8懸掛，電容結(jié)構(gòu)采用MEMS工藝加工，可直接在方形底板4上生成或者通過鍵合方式固定在方形底板4上。電容上極板5和下極板6設(shè)計成圓形。因為上、下極板間距離僅為幾十微米，而方形極板的四角容易塌陷，如果采用方形極板容易造成上、下極板短路，影響制備的成品率。根據(jù)附圖3，本發(fā)明的十字梁2中間為一圓形中心連接體10，用以固定測針3及減小懸臂9交叉點附近的應(yīng)力。中心連接體10厚度與懸臂9相同，以便在滿足強度要求的情況下盡可能減小懸臂9的重量。在懸臂9末端再增加一絕緣層，以阻斷上極板5與懸臂9的電連接。根據(jù)附圖4，本發(fā)明的測針3包括測桿12和測端球13兩部分，利用超精密加工技術(shù)加工。測桿12采用碳化鎢材料，以同時滿足高剛度和低重量的要求。測端球13采用紅寶石材料，在具有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)和最佳特性的測端球材料中，紅寶石是已知最硬的材料之一。紅寶石測端球的表面極為光滑，具有極高的抗壓強度和很高的機械耐磨性。根據(jù)附圖2和5，本發(fā)明的電容傳感器陣列的差動接法，將同一方向的兩個電容傳感器的下極板6通過連接線II 15連接，然后接到電容采集通道的共同負(fù)端，兩上極板分別通過連接線I 14和連接線III 16接到電容采集電路的兩個正端，構(gòu)成差動連接。各連接線分別通過對應(yīng)的焊盤17焊接在電容傳感器上。當(dāng)測端球13受力產(chǎn)生橫向位移時，通過十字梁2的傳遞，處于同一方向的兩個電容傳感器上極板一個向下移動，一個向上移動，導(dǎo)致兩邊電容值分別增大和減小。根據(jù)測針3在十字梁2上的連接方向不同，測頭可裝配成兩種型式支撐型和懸掛型，附圖1為本發(fā)明測頭的裝配方式一支撐型。支撐型裝配方式相對比較安全，方形底板4的限位孔7可以限制測針3的橫向運動幅度，但是由于電容傳感器的上極板承受測針3及懸臂9的重力，容易使上、下極板發(fā)生短路，可在中心連接體10下部安裝一支撐彈簧(圖中未示)，以補償測針3及懸臂9的重力。根據(jù)附圖6，本發(fā)明測頭的裝配方式二懸掛型。懸掛型裝配方式可以充分利用測針3的長度，以探測更深的結(jié)構(gòu)，同時也可對測針3及懸臂9進(jìn)行重力補償，但是測針3的橫向位移沒有約束，容易發(fā)生過量程的情況，導(dǎo)致敏感單元的損壞。為保證測針3與十字梁2、十字梁2與電容傳感器I連接的垂直度及可靠性，裝配時所有操作均在高精度的粘針平臺上進(jìn)行。中心連接體10與測針3、懸臂9與電容傳感器I的上極板6的連接通過環(huán)氧樹脂粘合。
權(quán)利要求
1.一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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭，其特征在于:所述上極板的懸掛采用4個微彈簧實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭，其特征在于: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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容傳感器陣列的三維微接觸式測頭，其特征在于: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。
全文摘要
本發(fā)明為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。本發(fā)明彌補了單個電容傳感器橫向分辨力低的缺陷，提高了分辨力和精度，有效拓展了橫向測量范圍。
文檔編號G01B7/00GK103075951SQ20121055782
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者雷李華, 蔡瀟雨, 李源, 吳俊杰, 傅云霞, 耿鋒, 翁浚婧 申請人:上海市計量測試技術(shù)研究院