CN103398664A - 一种表面高反薄板材厚度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种表面高反薄板材厚度测量装置，包括钢架底座、平台、工件承载台、X轴、横梁、上接触式测头、Z轴、Y轴、下接触式测头和下测头安装座，所述的平台设在钢架底座上，工件承载台设在平台上，Y轴固定在工件承载台与平台之间，横梁固定在平台上、与Y轴运动方向相互垂直，X轴固定在横梁上，Z轴及其动板设在横梁的上横条上，上接触式测头固定在Z轴动板上，下接触式测头通过下测头安装座固定在横梁的下横条上。本发明专为薄板材厚度测量而设计，结构简单，操作方便，性价比高，为半导体、太阳能、光学玻璃等行业中材料表面具有高亮度反光特性的高端产品厚度测量提供优化解决方法。

Description

一种表面高反薄板材厚度测量装置

技术领域

    本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种表面高反薄板材厚度测量装置。

背景技术

在半导体、太阳能、光学玻璃等行业中，有大量产品表面具有高亮度反光特性。如半导体行业中的芯片基材，厚度一般在0.3mm以下，材料为不锈钢片、镍片、镍合金片、电铸片等。根据性能要求不同，需要经过电铸、电镀、抛光、蚀刻等工序，最后才能加工成成品，无论是原材料、半成品或是成品，其表面均呈高亮反光特性。而太阳能行业中的晶圆，本身由4层材料构成，第1层为晶圆层、第2层为粘合剂、第3层为玻璃、第4层为胶带，各层之间通过压合工艺制作成晶圆成品，要保证最终成品厚度均匀性，就需要控制各层相互压合后的厚度均匀性，尤其是晶圆层和玻璃层，表面均具有高亮度反光甚至透明特性。光学玻璃行业中的各类镜片，除自身为透明材质外，同样具有高亮度反光特性。随着市场对该行业产品性能提出越来越高的要求，这些基础材料的厚度等重要特征的质量控制越来越严格，以确保最终成品的性能和可靠性。   

 针对这些具有高亮度反光特性的材料，传统厚度测量设备一般采用非接触式测量方法来进行测量，通常通过激光位移传感器发出一束光，打在材料表面，以与入射光束呈一定角度反射，被激光位移传感器信号接收窗口接收，如果材料表面凸凹不平，则会直接反映到接收窗口，并通过内部标尺，实时测量所反馈光束因材料表面高低不平所产生的位移变化量，通过机器视觉和图像处理技术，即可计算出这个变化量的具体数值，最终计算出薄板材厚度，测量时，先将厚度为A的标准块放置在测量工位上、下测头之间的支撑平台上，测量标准块的厚度，以对测量系统进行校零操作，假定被测薄钢板厚度为δ，则实际被测物厚度为δ=A-（x-a）-（y-b），这种测量方法在针对具有高亮度反光特性的材料厚度测量时，材料表面微观结构表现为类似“皱纹”状特性，这种微观结构尺寸往往在10um甚至更小范围内，但足以对激光光束反射角度造成较大影响，直接导致测量精度下降，另外，由于机器视觉和图像处理技术发展到今天，最小分辨率还只能到亚微米级，使得最终精密薄材的测量精度难有突破，而高端电子产品市场对产品性能越来越高，从而对用于电路基材的各类薄板材也提出了更高的质量要求。传统厚度测量方法难以满足高精度测量需求。

发明内容

    本发明旨在提供一种在测量过程中无需人工干预、测量精度和测量效率高的表面高反薄板材厚度测量装置。

    本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种表面高反薄板材厚度测量装置，包括钢架底座、平台、工件承载台、X轴、横梁、上接触式测头、Z轴、Y轴、下接触式测头和下测头安装座，所述的平台设在钢架底座上，工件承载台设在平台上，Y轴固定在工件承载台与平台之间，横梁固定在平台上、与Y轴运动方向相互垂直，X轴固定在横梁上，Z轴及其动板设在横梁的上横条上，上接触式测头固定在Z轴动板上，下接触式测头通过下测头安装座固定在横梁的下横条上；所述的接触式测头包括探针、弹性装置、方形空气导轨、空气导轨进气座、激光位移传感器、顶板、光栅尺、空气导轨导芯供气接头、测头安装座、测头安装底板和底板，所述的方形空气导轨安装在测头安装底板上，探针连接方形空气导轨导芯的下端、贯穿底板，导芯下端与底板之间设有弹性装置，空气导轨进气座设在方形空气导轨的上方，激光位移传感器设在空气导轨进气座的上方，与传感器相连接的数据线贯穿顶板，光栅尺设置在激光位移传感器的左侧，空气导轨导芯供气接头设在空气导轨进气座的左侧、连接进气座，测头安装座设在测头安装底板的左侧。

    作为优选，所述的光栅尺平行安装于激光位移传感器。

    作为优选，所述的弹性装置为精密弹簧。

    作为优选，所述方形空气导轨的导芯内部为空芯结构，顶部连接方形导轨进气座。

作为优选，所述的方形导轨进气座侧面连接方形空气导轨供气接头。

本发明提出一种表面高反薄板材厚度测量装置，采用测量力精确可控的高精度接触式测头来进行高反材料厚度测量，很好地规避了非接触式测量因不同材料表面反光特性及图像处理技术难以满足该行业高精度、高稳定性厚度测量需求，除采取接触式测量方式外，该测量装置采取固定梁式结构布局，由相互垂直安装的X轴、Y轴和Z轴，配合专为薄板材设计的工件承载台，实现了自动测量功能。仅需测量员上料和下料，测量过程中无需人工干预，进一步提高了测量精度和测量效率，该测量装置专为薄板材厚度测量而设计，结构简单，操作方便，性价比高，为半导体、太阳能、光学玻璃等行业中材料表面具有高亮度反光特性的高端产品厚度测量提供优化解决方法。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为接触式测头的结构示意图；

图4为接触式测头的结构示意图；

图5为方形空气导轨的结构示意图；

图6为本发明的工作原理图。

图中：1.钢架底座；2.平台；3.工件承载台；4.X轴；5.上接触式测头；6.Z轴；7.横梁；8.薄板材；9.Y轴；10.下接触式测头；11.下测头安装座；12.探针；13.精密弹簧；14.方形空气导轨；15.空气导轨进气座；16.激光位移传感器；17.顶板；18.光栅尺；19.空气导轨导芯供气接头；20.测头安装座；21.测头安装底板；22.底板；23.空气导轨供气接头；24.导芯；25、数据线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参见图1至图5所示，一种表面高反薄板材厚度测量装置，包括钢架底座1、平台2、工件承载台3、X轴4、横梁7、上接触式测头5、Z轴6、Y轴9、下接触式测头10和下测头安装座11，所述的平台2设在钢架底座1上，工件承载台3设在平台2上，Y轴9固定在工件承载台3与平台2之间，横梁7固定在平台2上、与Y轴9运动方向相互垂直，X轴4固定在横梁7上，Z轴6及其动板设在横梁7的上横条上，上接触式测头5固定在Z轴6的动板上，下接触式测头10通过下测头安装座11固定在横梁7的下横条上；所述的接触式测头包括探针12、精密弹簧13、方形空气导轨14、空气导轨进气座15、激光位移传感器16、顶板17、光栅尺18、空气导轨导芯供气接头19、测头安装座20、测头安装底板21和底板22，所述的方形空气导轨14安装在测头安装底板21上，所述方形空气导轨14的导芯24内部为空芯结构，顶部连接方形导轨进气座15，方形导轨进气座15侧面连接方形空气导轨供气接头23，探针12连接方形空气导轨导芯24的下端、贯穿底板22，导芯24下端与底板22之间设有精密弹簧13，空气导轨进气座15设在方形空气导轨14的上方，激光位移传感器16设在空气导轨进气座15的上方，与传感器16相连接的数据线25贯穿顶板，光栅尺18平行安装于激光位移传感器16的左侧，空气导轨导芯供气接头19设在空气导轨进气座15的左侧、连接进气座15，测头安装座20设在测头安装底板21的左侧。

    当向方形空气导轨14供气时，则压缩空气会通过气流孔传递到方形导轨14“口”字形的各内导向面，这些导向面上分布有导气槽，通过导气槽将具有一定气压的压缩空气供应到导芯24与方形导轨14“口”字形的各内导向面之间，形成具有一定压力的气膜层，从而形成空气导轨，导芯24仅能在方形导轨14中上下精确运动，导芯24内部为空芯结构，顶部连接着方形导轨进气座15，该进气座15侧方安装有供气接头23，顶部安装有光栅尺18，通过与光栅尺18平行安装的激光位移传感器16来测定探针12随工件表面形貌变化而导致导芯24上下垂直运动的位移量，从激光位移传感器16读到的位移量值通过数据线25实时传输到测量系统，并及时在测量软件中显示测量结果。

本发明具体测量原理如图6所示，测量前，下接触式测头10因向上吹气压力作用，将探针12向上顶，并使精密弹簧13处于微量压缩状态，此时精密弹簧13压缩量为H0，同时探针12超出工件承载台3也为H0，而上接触式测头5安装在垂直于被测工件的Z轴6上，在测头中向下吹气的压力、重力及精密弹簧因被吹气压力和重力同时作用而产生的向上反作用共同作用下，在垂直方向上处于力学平衡状态，此时Z轴6位置为Z0，在测量实际薄板材前，采用厚度为A的标准块来对测量系统进行校准，将该标准块放置在工件承载台3中，此时，标准块下表面将压住下接触式测头10的探针12，使该测头有一个H1的位移量，在测量系统中将该值作为下接触式测头10的零位，而上接触式测头5在Z轴6带动下向下运动，直到探针12接触到标准块的上表面，假定运动到向下运动到Z1位置，此时向下的吹气压力、探针12自身重力及向上精密弹簧13反作用力、工件表面反作用力等在该处处于力学平衡，探针12的向上的位移量为(Z1- Z0)，也即为精密弹簧13的压缩量，被上接触式测头5的激光位移传感器16精确读取，此时，测量系统精确得到在测量厚度为A的标准块时下接触式测头10的零位和上接触式测头5的位移量读数、吹气压力等参数，向上抬起上接触式测头5返回到Z0位置，移开标准块，更换上被测薄板材8，假设该薄板材8的厚度为L，则下接触式测头10的探针12再次受该工件压制，产生的位移量为H2，则说明下测头10因为表面特性造成与标准块压制探针12时不同的变化值，实际该点在下方向上相对标准块的厚度变化为(H2- H1)，上测头5在Z轴6带动下接触工件的上表面，并保持吹气力不变，此时Z轴6位移为Z2，实际的精密弹簧13压缩量为(Z2- Z0)，可以得出如下关系：

(Z1-Z0)+A+H1=(Z2-Z0)+L+ H2

被测薄板材8的厚度L=(Z1-Z0)+A+H1-(Z2-Z0)-H2=A+Z1-Z2+H1-H2，上、下接触式测头将测量值实时传输到测量系统，测量系统将根据上述公式快速计算得到该薄板材8的实际厚度值，将该厚度值与该批次薄板材厚度质量控制线进行对比，一旦发现该值不在事先设置的薄板材厚度质量指标控制线内，则系统会自动报警，该薄板材将被作为不合格品处理，在其进入出料工位时则被移出测量系统，而如果合格则将其作为合格品处理，放置在合格品区，再进行下一张薄板材的测量，循环往复。

本发明提出的一种表面高反薄板材厚度测量装置，采用测量力精确可控的高精度接触式测头来进行高反材料厚度测量，很好地规避了非接触式测量因不同材料表面反光特性及图像处理技术难以满足该行业高精度、高稳定性厚度测量需求，除采取接触式测量方式外，该测量装置采取固定梁式结构布局，由相互垂直安装的X轴、Y轴和Z轴，配合专为薄板材设计的工件承载台，实现了自动测量功能，仅需测量员上料和下料，测量过程中无需人工干预，进一步提高了测量精度和测量效率，该测量装置专为薄板材厚度测量而设计，结构简单，操作方便，性价比高，为半导体、太阳能、光学玻璃等行业中材料表面具有高亮度反光特性的高端产品厚度测量提供优化解决方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种表面高反薄板材厚度测量装置，包括钢架底座、平台、工件承载台、X轴、横梁、上接触式测头、Z轴、Y轴、下接触式测头和下测头安装座，其特征在于，所述的平台设在钢架底座上，工件承载台设在平台上，Y轴固定在工件承载台与平台之间，横梁固定在平台上、与Y轴运动方向相互垂直，X轴固定在横梁上，Z轴及其动板设在横梁的上横条上，上接触式测头固定在Z轴动板上，下接触式测头通过下测头安装座固定在横梁的下横条上；所述的接触式测头包括探针、弹性装置、方形空气导轨、空气导轨进气座、激光位移传感器、顶板、光栅尺、空气导轨导芯供气接头、测头安装座、测头安装底板和底板，所述的方形空气导轨安装在测头安装底板上，探针连接方形空气导轨导芯的下端、贯穿底板，导芯下端与底板之间设有弹性装置，空气导轨进气座设在方形空气导轨的上方，激光位移传感器设在空气导轨进气座的上方，与传感器相连接的数据线贯穿顶板，光栅尺设置在激光位移传感器的左侧，空气导轨导芯供气接头设在空气导轨进气座的左侧、连接进气座，测头安装座设在测头安装底板的左侧。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的光栅尺平行安装于激光位移传感器。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的弹性装置为精密弹簧。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述方形空气导轨的导芯内部为空芯结构，顶部连接方形导轨进气座。

5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述的方形导轨进气座侧面连接方形空气导轨供气接头。

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