CN104061866A - 接触式测头及一种表面高反薄板材厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触式测头及一种表面高反薄板材厚度测量方法，接触式测头包括测头安装座、探针、方形空气导轨、激光位移传感器和光栅尺，所述测头安装座上固定有测头安装底板，所述测头安装底板上固定有方形空气导轨，所述方形空气导轨包括导芯和套在所述导芯上的方形导轨导向座，所述导芯顶端设有进气口，底端固定有所述探针，所述方形导轨导向座的一个外侧面开有方形导轨进气口，所述方形导轨导向座内设有导气槽，四个内侧面上开有导向面开口，所述导气槽内的压缩空气进入导向面开口并在所述方形导轨导向座和导芯之间形成气膜层。本发明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，完全排除了非接触式测量所存在的技术问题。

Description

接触式测头及一种表面高反薄板材厚度测量方法

技术领域

本发明涉及检测领域，具体涉及接触式测头及一种表面高反薄板材厚度测量方法。

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（wafer），本身由4层材料构成，第1层为wafer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wafer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wafer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，以往厚度测量方法一般均是通过非接触式测量方法来进行测量，测量原理为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。如图1所示，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要求越来越高，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

本发明所要解决的技术问题是解决表面高反薄板材厚度测量方法难以满足高精度测量需求的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种接触式测头，包括测头安装座、探针、方形空气导轨、激光位移传感器和光栅尺，所述测头安装座上固定有测头安装底板，所述测头安装底板上固定有方形空气导轨，所述方形空气导轨上端固定有空气导轨进气座，所述空气导轨进气座上设有空气导轨导芯供气接头，所述方形空气导轨包括导芯和套在所述导芯上的方形导轨导向座，所述导芯顶端设有进气口，底端固定有所述探针，所述方形导轨导向座的一个外侧面开有方形导轨进气口，所述方形导轨导向座内设有导气槽，四个内侧面上开有导向面开口，所述导气槽内的压缩空气进入导向面开口并在所述方形导轨导向座和导芯之间形成气膜层，所述探针上套有精密弹簧，所述探针的底端固定有接触工件表面的红宝石球，所述光栅尺固定于所述导芯的顶端，通过与所述光栅尺平行安装的所述激光位移传感器来测定所述探针随工件表面形貌变化而导致导芯上下垂直运动的位移量。

在上述接触式测头中，所述测头安装底板的顶端固定有与所述激光位移传感器连接的传感器数据传输线缆。

在上述接触式测头中，所述测头安装底板包括上端的顶板和底端的底板。

在上述接触式测头中，所述激光位移传感器通过传感器安装板固定在所述测头安装底板上。

本发明还提供了一种表面高反薄板材厚度测量方法，采用两个上下相对设置的上述接触式测头，包括以下步骤：

A10、测量前，通过进气接头分别给两个测头放入方形导轨导向座和导芯供气，使得导芯在方形导轨导向座中处于悬浮状态，能无摩擦地仅做垂直上下运动；

A20、当两个测头的探针下端的红宝石球接触到工件的上下表面时，则被测工件会瞬间有一个推动探针的作用力，随后探针在接触过程中处于垂直方向的力学平衡状态中，并始终保证探针端部的红宝石球与工件表面保持接触；

A30、工件和上下两个探针相对移动时，根据侧头上光栅尺的位移能够测得工件的厚度变化。

本发明提供的接触式测头及一种表面高反薄板材厚度测量方法,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，完全排除了非接触式测量所存在的技术问题。相比于光学测量精度受制于机器视觉和图像处理技术的发展，采取接触式测量的测量精度更高，该方法为半导体、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为本发明提供的表面微观结构对反光光束影响示意图，其中：1.具有微观结构的被测物；2.实际反光光束；3.收光窗口；4.激光位移传感器；5.发光窗口；6.理论反光光束；7.发射光束。

图2为本发明提供的精密接触式测头示意图，其中：15.探针；16.精密弹簧；17.方形空气导轨；18.空气导轨进气座；19.激光位移传感器；20.激光位移传感器固定螺钉；21.顶板；22.传感器数据传输线缆；23.传感器线缆接头；24.传感器安装板；25.光栅尺；26.空气导轨导芯供气接头；27.测头安装座；28.测头安装螺钉；29.测头安装底板；30.底板。

图3为本发明提供的方形空气导轨示意图，其中：34.导芯；35.方形导轨进气口；36.导芯进气口；37.方形导轨导向座。

图4为本发明提供的表面高反薄板材厚度测量方法示意图，其中：38.下接触式测头；39.工件承载台；40.上接触式测头；41.标准块；42.导芯简化体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细的说明。

如图2、图3所示，本发明提供的接触式测头包括测头安装座27、探针15、方形空气导轨17、激光位移传感器19和光栅尺25，测头安装座27上固定有测头安装底板29，测头安装底板29上固定有方形空气导轨17，方形空气导轨17上端固定有空气导轨进气座18，空气导轨进气座18上设有空气导轨导芯供气接头26，方形空气导轨17包括导芯34和套在导芯34上的方形导轨导向座37，导芯34顶端设有进气口，底端固定有探针15，方形导轨导向座37的一个外侧面开有方形导轨进气口，方形导轨导向座37内设有导气槽，四个内侧面上开有导向面开口，导气槽内的压缩空气进入导向面开口并在方形导轨导向座37和导芯34之间形成气膜层，探针15上套有精密弹簧16，探针15的底端固定有接触工件表面的红宝石球，光栅尺25固定于导芯34的顶端，通过与光栅尺25平行安装的激光位移传感器19来测定探针15随工件表面形貌变化而导致导芯34上下垂直运动的位移量。

测头安装底板29包括上端的顶板21和底端的底板30，测头安装底板29的顶端固定有与激光位移传感器19连接的传感器数据传输线缆22。激光位移传感器19通过传感器安装板24固定在测头安装底板29上。

本发明还提供了一种表面高反薄板材厚度测量方法，采用两个上下相对设置的上述接触式测头，包括以下步骤：

A10、测量前，通过进气接头分别给两个测头放入方形导轨导向座37和导芯34供气，使得导芯34在方形导轨导向座37中处于悬浮状态，能无摩擦地仅做垂直上下运动；

A20、当两个测头的探针15下端的红宝石球接触到工件的上下表面时，则被测工件会瞬间有一个推动探针15的作用力，随后探针15在接触过程中处于垂直方向的力学平衡状态中，并始终保证探针15端部的红宝石球与工件表面保持接触；

A30、工件和上下两个探针15相对移动时，根据侧头上光栅尺25的位移能够测得工件的厚度变化。

下面详细说明测量过程：供应给导芯34内部的压缩空气会在导芯34内部产生一个垂直向下的力P，如图4所示，导芯34自身重力为G，在这两个垂直向下的力的综合作用下，将向下挤压精密弹簧16，精密弹簧16将随之产生一个向上的反作用力F，通过精确控制供应给导芯34的压缩空气气压，则可精确控制垂直向下的力P的大小，从而实现导芯34在垂直方向上的力学平衡，此时安装在导芯34下端的探针15同样处于垂直方向的力学平衡状态中。

当探针15下端的红宝石球接触到工件表面时，则被测工件会瞬间有一个向上推动探针15的作用力，如果探针15刚接触工件表面时该反作用力较大时，则易对工件表面损伤。因此，务必在探针15接触工件表面前，精确调节压力P，使得探针15在接触过程中处于垂直方向的力学平衡状态中。而为了探针15上的红宝石球始终与工件表面保持接触状态，可微量增加力P，使得探针15向下作用在工件表面上力略大于其反作用力。根据工件表面特性不同，合适地控制供应给导芯34的压缩空气气压，从而精确控制力P的大小，来实现测量过程中始终保证探针15端部的红宝石球与工件表面保持接触，且该接触力相对工件表面大小适中，确保在在工件各测量点处测量力恒定不变，以保证重复测量精度。

测量前，下接触式测头因向上吹气压力作用，将探针15向上顶，并使精密弹簧16处于微量压缩状态，此时精密弹簧16压缩量为H0，同时探针15超出工件承载台也为H0。而上接触式测头安装在垂直于被测工件的Z轴上，在测头中向下吹气的压力、重力及精密弹簧16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中，此时，标准块下表面将压住下接触式测头的探针15，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的零位。而上接触式测头在Z轴带动下向下运动，直到探针15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15自身重力及向上精密弹簧16反作用力、工件表面反作用力等在该处处于力学平衡，探针15的向上的位移量为(Z1-Z0)，也即为精密弹簧16的压缩量，被上接触式测头的激光位移传感器19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，下接触式测头的零位和上接触式测头的位移量读数、吹气压力等参数。向上抬起上接触式测头返回到Z0位置，移开标准块，更换上被测薄板材，假设该薄板材的厚度为L。则下接触式测头的探针15再次受该工件压制，产生的位移量为H2，则说明下测头因为表面特性造成与标准块压制探针15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)。上测头在Z轴带动下接触工件的上表面，并保持吹气力不变，此时Z轴位移为Z2，实际的精密弹簧16压缩量为(Z2-Z0)。则可以得出如下关系：

(Z1-Z0)+A+H1=(Z2-Z0)+L+H2

则被测薄板材的厚度值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。

本发明所公开的接触式测头及一种表面高反薄板材厚度测量方法，能解决以往半导体、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采用非接触式测量时因表面微观结构对激光光束反光角度造成较大影响、直接导致测量精度下降、测量值不稳定等问题。并相比于传统光学测量精度受制于机器视觉和图像处理技术的发展，采取接触式测量的测量精度更高，该方法为半导体、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。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.接触式测头，其特征在于，包括测头安装座、探针、方形空气导轨、激光位移传感器和光栅尺，所述测头安装座上固定有测头安装底板，所述测头安装底板上固定有方形空气导轨，所述方形空气导轨上端固定有空气导轨进气座，所述空气导轨进气座上设有空气导轨导芯供气接头，所述方形空气导轨包括导芯和套在所述导芯上的方形导轨导向座，所述导芯顶端设有进气口，底端固定有所述探针，所述方形导轨导向座的一个外侧面开有方形导轨进气口，所述方形导轨导向座内设有导气槽，四个内侧面上开有导向面开口，所述导气槽内的压缩空气进入导向面开口并在所述方形导轨导向座和导芯之间形成气膜层，所述探针上套有精密弹簧，所述探针的底端固定有接触工件表面的红宝石球，所述光栅尺固定于所述导芯的顶端，通过与所述光栅尺平行安装的所述激光位移传感器来测定所述探针随工件表面形貌变化而导致导芯上下垂直运动的位移量。

2.如权利要求1所述的接触式测头，其特征在于，所述测头安装底板的顶端固定有与所述激光位移传感器连接的传感器数据传输线缆。

3.如权利要求1所述的接触式测头，其特征在于，所述测头安装底板包括上端的顶板和底端的底板。

4.如权利要求1所述的接触式测头，其特征在于，所述激光位移传感器通过传感器安装板固定在所述测头安装底板上。

5.一种表面高反薄板材厚度测量方法，其特征在于，采用两个上下相对设置的如权利要求1至4项任一项所述的接触式测头，包括以下步骤：

A10、测量前，通过进气接头分别给两个测头放入方形导轨导向座和导芯供气，使得导芯在方形导轨导向座中处于悬浮状态，能无摩擦地仅做垂直上下运动；

A20、当两个测头的探针下端的红宝石球接触到工件的上下表面时，则被测工件会瞬间有一个推动探针的作用力，随后探针在接触过程中处于垂直方向的力学平衡状态中，并始终保证探针端部的红宝石球与工件表面保持接触；

A30、工件和上下两个探针相对移动时，根据侧头上光栅尺的位移能够测得工件的厚度变化。