CN103075951B - 一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，所述的测头由方形底板、电容传感器阵列、十字梁和测针组成，其特征在于：所述的测头有多个电容传感单元，呈阵列式分布于方形底板上，测针连接在十字梁的中心连接体上，十字梁的悬臂与电容传感器上极板相连，上极板通过微弹簧悬挂单元悬挂，所述上极板的悬挂采用若干个微弹簧实现，微弹簧不仅用于固定电容传感器的上极板，还用于支撑十字梁和测针重量，由测针及十字梁组成的杠杆结构将被测物的横向位移放大并转化为电容上极板的轴向位移，解决单个电容传感器测量时横向分辨力低的问题。本发明弥补了单个电容传感器横向分辨力低的缺陷，提高了分辨力和精度，有效拓展了横向测量范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种超精密尺寸三维测量工具，特别是公开一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，用于微结构的亚微米级几何量3D测量。
背景技术
随着超精密加工技术、MEMS加工工艺的快速发展，半导体工业中高精度相关微小器件和结构的制造得到了极大的发展，主要体现在尺寸跨度越来越大、结构复杂程度越来越高，制造精度不断提高，因而对微纳米尺寸测量与表征技术提出了更高的要求。从工程设计到样机研究制造再到质量控制分析以及最终的在产品的制造和最终的元件和工件的检查，几乎所有的领域，微纳米尺寸测量与表征技术的影响力越来越大。这推动了基于新原理、新算法、更高精度和尺寸跨度的测量装置的研究。具有大范围、高精度，开发研究用于测量三维尺寸、位置和其他形貌特征的坐标测量方法和相应的装置，成为微器件和微结构测试领域的主要研究工作。
坐标测量技术以传统的坐标测量机为测量平台，结合触发式或者模拟式测头对被测工件进行检测，但传统的坐标测量技术的检测精度只能达到微米或者几百纳米，已经不能满足上述的测量的要求。许多的工业机构以及科研领域都要求亚纳米分辨率的三维坐标测量系统来测量分辨率高，机械性能好的光学元件。并且可以测量用来制作显微镜头的制作元件及制作工具。为了达到上述要求，纳米定位和纳米测量仪器必须升级为同时拥有3D功能和3D接触式探针功能的系统。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，设计一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，本发明结合精密装配技术，采用MEMS微加工工艺，可用作纳米坐标测量机的零点定位传感器，实现对微结构及器件的测量和表征。
本发明是这样实现的：一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，所述的测头由方形底板、电容传感器阵列、十字梁和测针组成，其特征在于：所述的测头有多个电容传感单元，呈阵列式分布于方形底板上，测针连接在十字梁的中心连接体上，十字梁的悬臂与电容传感器上极板相连，上极板通过微弹簧悬挂单元悬挂，所述上极板的悬挂采用若干个微弹簧实现，微弹簧不仅用于固定电容传感器的上极板，还用于支撑十字梁和测针重量，由测针及十字梁组成的杠杆结构将被测物的横向位移放大并转化为电容上极板的轴向位移，解决单个电容传感器测量时横向分辨力低的问题。采用4个电容传感器组成圆周阵列作为敏感单元，同一方向上的两个电容传感器连接成差动方式，提高测头灵敏度和抗干扰能力。所述的测头有两种装配方式，根据不同的测量场合选择支撑型或悬挂型装配方式。
本发明一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头具有以下特征：
1、所述的十字梁和测针作为位移传递单元，电容传感器阵列作为敏感单元。测针由测端球和测杆组成，利用环氧树脂固定在十字梁的中心连接体中央。测量时，测端球的位移通过测杆和十字梁传递到电容传感器的上极板，引起电容传感器极板间距离和面积的改变，从而使电容值发生变化。通过检测电容值的变化量，建立合理的数学模型，即可得到微小位移量。
2、采用MEMS微加工工艺，在方形底板上制作电容传感器阵列。电容传感器包括上极板、下极板和上极板悬挂单元三部分。上极板的悬挂采用4个微弹簧实现，微弹簧性能的好坏直接影响测量精度。微弹簧的数量及强度可根据十字梁及测针的重量确定，也可设计为具有8个微弹簧的悬挂单元。
3、十字梁的作用是将测针测端球的位移传递给电容传感器阵列，从而改变传感器电容值。同时，十字梁应具有较好的刚度，以减小因悬臂变形引入的误差。十字梁的中心连接体厚度设计为与悬臂相同，以减少重量，从而减小悬臂变形。悬臂长度可根据灵敏度要求确定，理论上悬臂越长，检测的灵敏度越高，但是随着长度的增加，由重力及测量力引起的悬臂扰度也随着增大。
4、针对十字梁及测针的自重问题，亦可通过在中心连接体下部或上部加装弹簧进行补偿。当弹簧位于下部时，处于压缩状态；位于上部时，处于拉伸状态。
5、测针的测杆采用碳化钨材料，以保证刚度及减小测针的重量；测端球采用红宝石材料，以减小球体的磨损和变形，红宝石是已知的最硬的材料之一。
6、为保证测针与十字梁、十字梁与电容传感器阵列连接的垂直度及可靠性，使用高精度粘针平台进行装配。
7、采用4个电容传感器组成敏感单元阵列，相对于传统的单个电容结构，有效地提高了位移检测的灵敏度，特别是对于横向尺寸的测量，由测针及十字梁组成的杠杆机构对横向位移有一个放大作用，并能将其转化为电容极板的轴向运动，对于采用电容方法检测微小位移具有重要意义。
8、由于采用多个电容传感器，且处于同一方向的两个电容传感器上极板运动方向相反，故可将其连接成差动形式，不仅可以提高检测灵敏度，还能有效消除干扰，提高位移检测精度。
本发明的有益效果是：本发明采用电容传感器阵列作为敏感单元，通过设计十字梁，将测针的横向位移转变成了轴向位移，弥补了单个电容传感器横向分辨力低的缺陷。相比于单个电容传感器的测头结构，本发明不仅提高了分辨力和精度，还有效拓展了横向测量范围。当检测同一方向位移的电容工作于差动方式时，分辨力和抗干扰能力将得到进一步提高。
附图说明
图1 是本发明基于电容传感器阵列的三维微接触式测头结构示意图。
图2 是本发明电容传感器结构示意图。
图3 是本发明的十字梁结构示意图。
图4 是本发明的测针结构示意图。
图5 是本发明的电容传感器阵列的差动接法示意图。
图6 是本发明的装配方式二结构示意图。
图中：1、电容传感器； 2、十字梁； 3、测针； 4、方形底板； 5、上极板； 6、下极板；7、限位孔； 8、微弹簧； 9、悬臂； 10、中心连接体； 11、绝缘层； 12、测杆； 13、测端球； 14、连接线I； 15、连接线II； 16、连接线III； 17、焊盘。
具体实施方式
根据附图1～5，本发明一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，测头由方形底板4、电容传感器阵列、十字梁2和测针3组成。测头有多个电容传感单元，呈阵列式分布于方形底板上，测针3连接在十字梁2的中心连接体10上，十字梁2的悬臂9与电容传感器1的上极板5相连，上极板5通过若干个微弹簧8悬挂单元悬挂，微弹簧8不仅用于固定电容传感器1的上极板5，还用于支撑十字梁2和测针3重量，由测针3及十字梁2组成的杠杆结构将被测物的横向位移放大并转化为电容上极板5的轴向位移，解决单个电容传感器测量时横向分辨力低的问题。本发明采用4个电容传感器1组成圆周阵列作为敏感单元，同一方向上的两个电容传感器连接成差动方式，提高测头灵敏度和抗干扰能力。测头有两种装配方式，根据不同的测量场合选择支撑型或悬挂型装配方式。
根据附图1和2，本发明的方形底板4中间开有一个测针3的限位孔7，用以限制测针3的横向移动范围，从而起到保护电容传感器阵列的作用。如果测针3的横向移动范围过大，可能导致微弹簧损坏及上下极板短路。本发明的电容传感器采用4个电容传感器作为敏感单元，呈圆周阵列方式均匀地排布在方形上， X、Y向各两个。电容传感器1的上极板用4个微弹簧8悬挂，电容结构采用MEMS工艺加工，可直接在方形底板4上生成或者通过键合方式固定在方形底板4上。电容上极板5和下极板6设计成圆形。因为上、下极板间距离仅为几十微米，而方形极板的四角容易塌陷，如果采用方形极板容易造成上、下极板短路，影响制备的成品率。
根据附图3，本发明的十字梁2中间为一圆形中心连接体10，用以固定测针3及减小悬臂9交叉点附近的应力。中心连接体10厚度与悬臂9相同，以便在满足强度要求的情况下尽可能减小悬臂9的重量。在悬臂9末端再增加一绝缘层，以阻断上极板5与悬臂9的电连接。
根据附图4，本发明的测针3包括测杆12和测端球13两部分，利用超精密加工技术加工。测杆12采用碳化钨材料，以同时满足高刚度和低重量的要求。测端球13采用红宝石材料，在具有业界标准和最佳特性的测端球材料中，红宝石是已知最硬的材料之一。红宝石测端球的表面极为光滑，具有极高的抗压强度和很高的机械耐磨性。
根据附图2和5，本发明的电容传感器阵列的差动接法，将同一方向的两个电容传感器的下极板6通过连接线II 15连接，然后接到电容采集通道的共同负端，两上极板分别通过连接线I 14和连接线III 16接到电容采集电路的两个正端，构成差动连接。各连接线分别通过对应的焊盘17焊接在电容传感器上。当测端球13受力产生横向位移时，通过十字梁2的传递，处于同一方向的两个电容传感器上极板一个向下移动，一个向上移动，导致两边电容值分别增大和减小。
根据测针3在十字梁2上的连接方向不同，测头可装配成两种型式：支撑型和悬挂型，附图1为本发明测头的装配方式一：支撑型。支撑型装配方式相对比较安全，方形底板4的限位孔7可以限制测针3的横向运动幅度，但是由于电容传感器的上极板承受测针3及悬臂9的重力，容易使上、下极板发生短路，可在中心连接体10下部安装一支撑弹簧（图中未示），以补偿测针3及悬臂9的重力。根据附图6，本发明测头的装配方式二：悬挂型。悬挂型装配方式可以充分利用测针3的长度，以探测更深的结构，同时也可对测针3及悬臂9进行重力补偿，但是测针3的横向位移没有约束，容易发生过量程的情况，导致敏感单元的损坏。
为保证测针3与十字梁2、十字梁2与电容传感器1连接的垂直度及可靠性，装配时所有操作均在高精度的粘针平台上进行。中心连接体10与测针3、悬臂9与电容传感器1的上极板6的连接通过环氧树脂粘合。
Claims (4)
1.一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，所述的测头由方形底板、电容传感器阵列、十字梁和测针组成，其特征在于：所述的测头有多个电容传感单元，呈阵列式分布于方形底板上，测针连接在十字梁的中心连接体上，十字梁的悬臂与电容传感器上极板相连，上极板通过微弹簧悬挂单元悬挂，所述上极板的悬挂采用若干个微弹簧实现，微弹簧不仅用于固定电容传感器的上极板，还用于支撑十字梁和测针重量，由测针及十字梁组成的杠杆结构将被测物的横向位移放大并转化为电容上极板的轴向位移，解决单个电容传感器测量时横向分辨力低的问题。
2.根据权利要求 1 所述的一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，其特征在于：所述上极板的悬挂采用4个微弹簧实现。
3.根据权利要求 1 所述的一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，其特征在于：采用4个电容传感器组成圆周阵列作为敏感单元，同一方向上的两个电容传感器连接成差动方式，提高测头灵敏度和抗干扰能力。
4.根据权利要求 1 所述的一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，其特征在于：所述的测头有两种装配方式，根据不同的测量场合选择支撑型或悬挂型装配方式。
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| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Lei Lihua Inventor after: Weng Junjing Inventor after: Wu Jiahuan Inventor after: Cai Xiaoyu Inventor after: Jian Li Inventor after: Li Yuan Inventor after: Wu Junjie Inventor after: Deng Linjuan Inventor after: Fu Yunxia Inventor after: Geng Feng Inventor before: Lei Lihua Inventor before: Cai Xiaoyu Inventor before: Li Yuan Inventor before: Wu Junjie Inventor before: Deng Linjuan Inventor before: Fu Yunxia Inventor before: Geng Feng Inventor before: Weng Junjing |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: LEI LIHUA CAI XIAOYU LI YUAN WU JUNJIE DENG LINJUAN FU YUNXIA GENG FENG WENG XUNJING TO: LEI LIHUA WU JIAHUAN CAI XIAOYU JIAN LI LI YUAN WU JUNJIE DENG LINJUAN FU YUNXIA GENG FENG WENG XUNJING |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150429 Termination date: 20151220 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |