專利名稱：一種用于微納米尺度二維尺寸測量的微觸覺測頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超精密尺寸測量工具，特別是公開一種用于微納米尺度二維尺寸測量的微觸覺測頭，屬于微納米幾何量測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著微納加工技術(shù)的迅速發(fā)展，器件特征尺寸和與之關(guān)聯(lián)的公差不斷減小，而其形狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度卻不斷增加，這就對微納尺度的幾何量檢測提出了更高的需求。在半導(dǎo)體工業(yè)中，檢測的精度要求已經(jīng)達(dá)到亞微米或者納米水平，檢測對象的范圍也擴(kuò)大到具有特殊或者復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微器件和微結(jié)構(gòu)。開發(fā)不確定度小于0.1 μ m的測頭將有效促進(jìn)納米坐標(biāo)測量系統(tǒng)的發(fā)展。從傳感測頭的檢測原理角度，主要有基于聚焦原理、光學(xué)反射、激光捕獲等光學(xué)原理的傳感測頭和基于壓阻、電容、電感等非光學(xué)原理的傳感測頭兩類。由于光學(xué)方法存在衍射極限，系統(tǒng)的橫向分辨率由物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定，所以一般在微米量級(jí)。這也就決定了它們不能分辨微米以下更細(xì)微的形貌特征。同時(shí)，光學(xué)方法不能測量某些特定的三維形貌，如物體邊緣的孔徑，物體表面的方向性和相關(guān)尺寸等信息，所以并不能實(shí)現(xiàn)真正的三維測量。以原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡為代表的掃描探針技術(shù)利用微觀效應(yīng)，檢測控制針尖和樣品表面的微電流和微力的大小，對樣品表明進(jìn)行掃描，獲得樣品的形貌特征和表面特性，具有納米級(jí)的分辨力，但很容易受到測量環(huán)境的干擾，對測量結(jié)果影響較大。同時(shí)，掃描探針顯微技術(shù)的測量范圍只有幾十個(gè)微米，很大地限制了微結(jié)構(gòu)測量的樣品范圍，對于較大深寬比的特殊結(jié)構(gòu)無法測量。因此，開發(fā)具有大范圍、高精度，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)域的主要內(nèi)容。這類研究主要包括兩部分:一是大范圍、高精度的坐標(biāo)定位儀器的開發(fā)；二是高精度、微尺寸傳感器的開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服光學(xué)方法和掃描探針技術(shù)在范圍、精度和被測對象三個(gè)方面的限制，提供一種用于微納米尺度二維尺寸測量的微觸覺測頭，可用作納米測量機(jī)的零點(diǎn)定位傳感器，實(shí)現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)及器件橫向尺寸的大范圍、高精度測量。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種用于微納米尺度二維尺寸測量的微觸覺測頭，其特征在于:所述的微觸覺測頭由圓形基底、電容式傳感器陣列、懸梁、測針、懸掛彈簧及限位結(jié)構(gòu)組成；圓形基底用于固定傳感器陣列及懸梁；電容式傳感器陣列作為敏感單元，用以感知位移變化；懸梁用于連接測針及傳感器陣列；測針直接與被測物接觸，以探測并傳遞位移量；懸掛彈簧起懸掛、調(diào)平懸梁的作用，并可調(diào)節(jié)測量力；限位結(jié)構(gòu)用來限制懸梁及測針運(yùn)動(dòng)的自由度，使其只能以懸梁頂端的小球球心為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而消除了測針和懸梁的整體偏移，保證了橫向位移測量的精度。所述的敏感單元陣列由四個(gè)電容式傳感器組成，電容極板采用超精密加工技術(shù)加工成以旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)為圓心的部分環(huán)形。從而使探測的位移變化與電容值變化呈近似的線性關(guān)系。電容式傳感器陣列可通過不同的電連接方式連接成變面積型和變電介質(zhì)型。懸梁采用十字型，以便將測針測量端的位移傳遞給電容傳感器，從而改變電容值。同時(shí)，懸梁應(yīng)具有較好的剛度，以減小因懸臂變形引入的誤差。懸梁的中心連接體厚度設(shè)計(jì)為與懸臂相同，以減少重力引起的懸臂變形。懸臂的長度可根據(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，由重力引起的懸臂擾度也隨著增大。針對懸梁及測針的自重問題，可通過合理設(shè)計(jì)彈簧與懸梁的固定位置，使懸梁的擾度降到最低。所述的限位結(jié)構(gòu)中間為一圓錐形孔，用以限制測針及懸梁的橫向偏移，使測頭的運(yùn)動(dòng)部分僅能繞懸梁頂端小球球心轉(zhuǎn)動(dòng)，對測頭精度的提高起著重要作用。限位結(jié)構(gòu)下方固定懸掛彈簧，可對懸掛彈簧進(jìn)行軸向的精調(diào)，以使懸梁處于水平狀態(tài)。亦可通過調(diào)節(jié)懸掛彈簧來改變測量力。測針的測桿采用碳化鎢材料，以保證剛度，并有效減輕測針的重量；測球采用紅寶石材料，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。為保證測針與懸梁結(jié)構(gòu)、懸梁結(jié)構(gòu)與電容傳感器連接的垂直度及可靠性，裝配時(shí)所有操作均在高精度的粘針平臺(tái)上進(jìn)行。所述的電容式傳感器陣列采用四個(gè)電容式傳感器組成敏感單元陣列，相對于傳統(tǒng)的單個(gè)電容結(jié)構(gòu)，有效地提高了位移檢測的靈敏度，且測針及懸梁組成的杠桿機(jī)構(gòu)對位移有一個(gè)放大作用，放大系數(shù)與懸梁的臂長呈正相關(guān)。由于采用多個(gè)電容，且處于同一方向的兩個(gè)電容值變化趨勢相反，故可將其連接成差動(dòng)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。測量時(shí)，測針端部的位移通過測針及懸梁傳遞到電容式傳感器陣列，引起傳感器電容值的變化，通過檢測電容變化量，建立位移與電容變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，即可求得相應(yīng)的位移。本發(fā)明的有益效果是
1、采用電容式傳感器陣列作為敏感單元；
2、通過設(shè)計(jì)剛性懸梁，將測針測端的橫向位移放大，提高了檢測的靈敏度；
3、通過電容的差動(dòng)連接，提高了電容檢測的分辨力和抗干擾能力；
4、通過設(shè)計(jì)懸梁頂端的限位結(jié)構(gòu)，有效抑制了測量力引起的測針及懸梁的橫向偏移，對測頭精度的提聞?dòng)兄匾饬x。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明圓形基底及電容式傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明懸梁及電容式傳感器中間極板結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明限位結(jié)構(gòu)及懸掛彈簧結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明測針結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明限位結(jié)構(gòu)與懸梁位置關(guān)系示意圖。圖7是本發(fā)明電容式傳感器變電介質(zhì)型工作方式接線圖。圖8是本發(fā)明電容式傳感器變面積型工作方式接線圖。圖中1、限位結(jié)構(gòu)；2、懸掛彈簧；3、懸梁；4、電容式傳感器；5、圓形基底；
6.測針；7、圓形基底；8、立柱；9、圓形基底通孔；10、電容式傳感器中間極板；11、懸臂；12、頂端小球；13、連桿；14、中心連接體；15、通孔；16、圓錐形孔；17、圓形基板；18、測桿；19、測端小球；R1、電容式傳感器中間極板右側(cè)弧線半徑；R2、電容式傳感器中間極板左側(cè)弧線半徑。
具體實(shí)施例方式根據(jù)附圖1，本發(fā)明一種用于微納米尺度二維尺寸測量的微觸覺測頭，由限位結(jié)構(gòu)1、懸掛彈簧2、懸梁3、電容式傳感器4、圓形基底5、測針6組成。附圖2中，基底中間開有一個(gè)圓形基底通孔9，以便測針穿過并限制測針的橫向移動(dòng)范圍，用以防止電容式傳感器4過量程。同時(shí)圓形基底7上還安裝了四根立柱8，用以支撐限位結(jié)構(gòu)。電容式傳感器4采用圓周陣列方式排布在圓形基底7上。電容式傳感器極板設(shè)計(jì)成部分環(huán)形，以使電容的變化量與懸梁的轉(zhuǎn)動(dòng)角度呈線性關(guān)系。電容式傳感器可根據(jù)不同的接線方式連接成變電介質(zhì)型和變面積型，分別如附圖7和附圖8所示。附圖3中，懸梁設(shè)計(jì)成十字拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，中間為一圓形中心連接體14，用以固定測針及減小懸臂交叉點(diǎn)附近的應(yīng)力。中心連接體14厚度與懸臂11相同，以便在滿足強(qiáng)度要求的情況下盡可能減小懸梁的重量。懸臂11末端連接電容式傳感器中間極板10，電容式傳感器中間極板10的環(huán)形曲線曲率設(shè)計(jì)如附圖6，以懸臂11頂端小球12的球心為圓心，選取合適的半徑長度，形成圓環(huán)，然后截取圓環(huán)的一部分作為電容式傳感器的中間極板。電容式傳感器左右極板的設(shè)計(jì)方法與電容式傳感器中間極板10類似。附圖4中，限位結(jié)構(gòu)的中心為一圓錐形孔16，用以限制懸梁的橫向運(yùn)動(dòng)自由度，從而保證測量精度。懸掛彈簧2安裝在限位結(jié)構(gòu)上，并可對其軸向位置進(jìn)行微調(diào)，以保證懸梁的水平及合適的測量力。測量力由懸掛彈簧2的拉力及懸梁頂端小球12與圓錐形孔16的摩擦力引起。測量力主要通過改變彈簧對懸梁的拉力來調(diào)節(jié)。附圖5中，測針包括測桿18和測球19兩部分，利用超精密加工技術(shù)加工。測桿采用碳化鎢材料，以同時(shí)滿足高剛度和低重量的要求。測球采用紅寶石材料，在具有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)和最佳特性的測球材料中，紅寶石是已知最硬的材料之一。紅寶石測球的表面極為光滑，具有極高的抗壓強(qiáng)度和很高的機(jī)械耐磨性。為保證測針與懸梁、懸梁與電容式傳感器連接的垂直度及可靠性，裝配時(shí)所有操作均在高精度的粘針平臺(tái)上進(jìn)行。懸梁與測針、懸梁與電容式傳感器中間極板通過環(huán)氧樹脂粘合。測量時(shí)，測針的測端發(fā)生微小位移，引起測針及懸梁的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使電容式傳感器的電容值發(fā)生改變，通過測量電容值的變化量即可得到微小位移。
權(quán)利要求
1.一種用于微納米尺度二維尺寸測量的微觸覺測頭，其特征在于:所述的微觸覺測頭由圓形基底、電容式傳感器陣列、懸梁、測針、懸掛彈簧及限位結(jié)構(gòu)組成；圓形基底用于固定傳感器陣列及懸梁；電容式傳感器陣列作為敏感單元，用以感知位移變化；懸梁用于連接測針及傳感器陣列；測針直接與被測物接觸，以探測并傳遞位移量；懸掛彈簧起懸掛、調(diào)平懸梁的作用，并可調(diào)節(jié)測量力；限位結(jié)構(gòu)用來限制懸梁及測針運(yùn)動(dòng)的自由度，使其只能以懸梁頂端的小球球心為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而消除了測針和懸梁的整體偏移，保證了橫向位移測量的精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微納米尺度二維尺寸測量的微觸覺測頭，其特征在于:所述的敏感單元陣列由四個(gè)電容式傳感器組成，電容極板采用超精密加工技術(shù)加工成以旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)為圓心的部分環(huán)形，從而使探測的位移變化與電容值變化呈近似的線性關(guān)系；電容式傳感器陣列可通過不同的電連接方式連接成變面積型和變電介質(zhì)型；懸梁采用十字型，以便將測針測量端的位移傳遞給電容傳感器，從而改變電容值，同時(shí)，懸梁應(yīng)具有較好的剛度，以減小因懸臂變形引入的誤差；懸梁的中心連接體厚度設(shè)計(jì)為與懸臂相同，以減少重力引起的懸臂變形，懸臂的長度可根據(jù)靈敏度要求確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微納米尺度二維尺寸測量的微觸覺測頭，其特征在于:所述的限位結(jié)構(gòu)中間為一圓錐形孔，用以限制測針及懸梁的橫向偏移，使測頭的運(yùn)動(dòng)部分僅能繞懸梁頂端小球球心轉(zhuǎn)動(dòng)，對測頭精度的提高起著重要作用；限位結(jié)構(gòu)下方固定懸掛彈簧，可對懸掛彈簧進(jìn)行軸向的精調(diào)，以使懸梁處于水平狀態(tài)，或者通過調(diào)節(jié)懸掛彈簧來改變測量力；測針的測桿采用碳化鎢材料，以保證剛度，并有效減輕測針的重量；測球采用紅寶石材料，以減小球體的磨損和變形；為保證測針與懸梁結(jié)構(gòu)、懸梁結(jié)構(gòu)與電容傳感器連接的垂直度及可靠性，裝配時(shí)所有操作均在高精度的粘針平臺(tái)上進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微納米尺度二維尺寸測量的微觸覺測頭，其特征在于:所述的電容式傳感器陣列采用四個(gè)電容式傳感器組成敏感單元陣列，相對于傳統(tǒng)的單個(gè)電容結(jié)構(gòu)，有效地提高了位移檢測的靈敏度，且測針及懸梁組成的杠桿機(jī)構(gòu)對位移有一個(gè)放大作用，放大系數(shù)與懸梁的臂長呈正相關(guān)；由于采用多個(gè)電容式傳感器，且處于同一方向的兩個(gè)電容值變化趨勢相反 ，故可將其連接成差動(dòng)形式，不僅提高檢測靈敏度，還能有效消除干擾，提_位移檢測精度。
全文摘要
本發(fā)明為一種用于微納米尺度二維尺寸測量的微觸覺測頭，其特征在于所述的微觸覺測頭由圓形基底、電容式傳感器陣列、懸梁、測針、懸掛彈簧及限位結(jié)構(gòu)組成；圓形基底用于固定傳感器陣列及懸梁；電容式傳感器陣列作為敏感單元，用以感知位移變化；懸梁用于連接測針及傳感器陣列；測針直接與被測物接觸，以探測并傳遞位移量；懸掛彈簧起懸掛、調(diào)平懸梁的作用，并可調(diào)節(jié)測量力；限位結(jié)構(gòu)用來限制懸梁及測針運(yùn)動(dòng)的自由度，使其只能以懸梁頂端的小球球心為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而消除了測針和懸梁的整體偏移，保證了橫向位移測量的精度。
文檔編號(hào)G01B7/00GK103075952SQ201210557870
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)明者吳俊杰, 李源, 范國芳, 陳欣, 雷李華, 毛辰飛 申請人:上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院