CN116086356A - 石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其包括载物台、检测头固定支架和位移探测装置；载物台安设在检测头固定支架上；用于对TO部件进行固定；使位移探测装置的激光光斑在载物台旋转一周的过程中始终打在TO部件环形封接面上；以及使位移探测装置的激光光斑在载物台旋转一周的过程中始终打在石英谐振梁芯片上；检测头固定支架用于固定位移探测装置；位移探测装置置于载物台上方，安设在检测头固定支架上，不与载物台上的TO部件接触。本发明还提供一种石英谐振梁芯片贴片平行度测量方法。本发明采用非无接触的方式测量石英谐振梁芯片贴片平行度，避免了对石英谐振梁芯片的损伤，而且不会影响石英谐振梁芯片贴片平行度。

Description

石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一个测量装置，具体涉及一种石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置及测量方法。

背景技术

石英谐振梁加速度计是一种利用谐振式测量原理，将被测加速度转换成石英谐振梁固有频率变化的传感器，因其具有大量程、高精度、小体积、低功耗、频率数字脉冲输出等优势，可广泛用于战术导弹姿态控制、惯性导航，地球资源勘探等领域，有着重要的军用价值和民用价值。目前，石英谐振梁加速度计为了降低共模噪声、消除非敏感轴方向的耦合误差，一般采取差分结构形式。差分结构是采用2片MEMS工艺加工成型的石英谐振梁芯片，通过差分布局进行贴片和封装，如公开号为US5962786A，专利名称为单片加速度传感器的美国发明专利。如果差分结构布局的2片石英谐振梁芯片在贴片和封装过程中出现不平行的情况，那么会很大程度上无法降低共模噪声和非敏感轴的耦合误差。此外，现有的石英谐振梁芯片贴片后，需要先固胶，接着采用三坐标分别对TO部件环形封接面和石英谐振梁芯片上表面进行打点确定平面，然后计算两个平面的平行度，因石英谐振梁芯片与TO底座贴片时采用黏度较小的结构胶，在胶固化前，采用现有的接触式测量方案，测量过程中不仅会破坏贴片平行度，而且可能对石英谐振梁芯片表面造成接触测量损伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置及测量方法，该测量装置和测量方法采用非无接触的方式测量石英谐振梁芯片贴片平行度，避免了对石英谐振梁芯片表面接触测量损伤，而且不会破坏石英谐振梁芯片贴片平行度。

本发明所采用的技术方案是：

一种石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其包括载物台、检测头固定支架和位移探测装置；

所述载物台安设在检测头固定支架上；用于对TO部件进行固定；测量TO部件环形封接面所在平面时，使位移探测装置的激光光斑在载物台旋转一周的过程中始终打在TO部件环形封接面上；测量石英谐振梁芯片上表面所在平面时，使位移探测装置的激光光斑在载物台旋转一周的过程中始终打在石英谐振梁芯片上；

所述检测头固定支架用于固定位移探测装置，及调整位移探测装置的精密位移探头的水平和竖直位置；

所述位移探测装置置于载物台上方，安设在检测头固定支架上，不与载物台上的TO部件接触，用于测量TO部件环形封接面所在平面及测量石英谐振梁芯片上表面所在平面的位移数据，及计算平行度误差。

按上述方案，所述载物台包括精密转台、四维调整机构、TO部件固定部、上位机、转台控制器；精密转台安设在检测头固定支架的底板上；四维调整机构安设在精密转台上面，能沿2个水平方向位移调整和分别绕两个水平方向轴的倾斜调整；TO部件固定部置于四维调整机构上，用于固定TO部件；上位机控制转台控制器工作，进而转台控制器控制精密转台内置驱动电机工作，从而控制精密转台旋转，四维调整机构、TO部件固定部随精密转台一起旋转。

按上述方案，TO部件固定部包括真空吸盘；所述真空吸盘包括吸盘本体和设于吸盘本体上的周向真空吸槽、径向真空吸槽，吸盘本体的中心孔与真空管道连接；TO部件置于吸盘本体上，通过周向真空吸槽、径向真空吸槽固定在真空吸盘上。

按上述方案，所述四维调整机构包括2个水平方向的线位移调节手柄和分别绕两个水平方向轴的倾斜调节手柄。

按上述方案，所述检测头固定支架包括底板、支撑杆、支撑平板、二维调整平台、转接板和探测头夹持座；所述支撑杆固定在底板上，所述支撑平板置于支撑杆上，所述二维调整平台安设在支撑平板上；所述探测头夹持座通过转接板固定在二维调整平台上。

按上述方案，所述二维调整平台包括水平方向调节螺杆、竖直方向调节螺杆；二维调整平台的竖直方向调节螺杆调整位移探测装置的精密位移探头的基准距离；TO部件的石英谐振梁芯片上表面处于精密位移探测头的测量区域内。

按上述方案，所述二维调整平台通过L型固定座与支撑平板连接。

按上述方案，所述支撑杆通过支撑杆底座固定在底板上。

按上述方案，所述位移探测装置包括精密位移探头和位移测量控制器，所述精密位移探头安设在检测头固定支架的探测头夹持座上，精密位移探头将采集的TO部件的位移数据传递给位移测量控制器，位移测量控制器将收到的数据传递给载物台的上位机。

本发明中，精密转台内置驱动电机(匹配有圆光栅)与悬浮主轴连接，精密转台通过悬浮主轴可以高精度地稳定旋转，实现精密转台高精度、无摩擦力、无磨损旋转。

位移探测装置的精密位移探测头的位移测量方式是非接触式，可以是激光同轴位移传感器、CMOS激光位移传感器或CCD激光位移传感器等非接触式精密位移探测器。

本发明还提供一种石英谐振梁芯片贴片平行度测量方法，该方法采用上述石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置；主要包括如下步骤：

(1)将石英谐振梁芯片贴片后的TO部件放置在载物台上，通过真空吸盘吸附固定；

(2)调节二维调整平台的水平和竖直线位移自由度和四维调整机构的2个水平面的线位移自由度，使在精密转台转动一周过程中，TO部件的环形封接面处于精密位移探测头的测量区域内(测量TO部件环形封接面所在平面时，使位移探测装置的激光光斑在载物台旋转一周的过程中始终打在TO部件环形封接面上)；

(3)精密转台转动一周，精密位移探测头测量TO部件环形封接面的多点位移(至少3点)，确定TO部件环形封接面；调节四维调整机构的2个倾斜自由度，使TO部件环形封接面处于水平状态；

(4)调节二维调整平台的水平线位移自由度，使在精密转台转动一周过程中，TO部件上的石英谐振梁芯片上表面处于精密位移探测头的测量区域内(测量石英谐振梁芯片上表面所在平面时，使位移探测装置的激光光斑在载物台旋转一周的过程中始终打在石英谐振梁芯片上)；

(5)精密转台转动一周，精密位移探测头测量TO部件石英谐振梁芯片上表面的多点位移(至少3点)，确定石英谐振梁芯片上表面；

(6)确定TO部件环形封接面所在平面，并定义为基准平面，以及确定石英谐振梁芯片上表面所在平面，并以石英谐振梁芯片最大外径定义平面边界，定义芯片平面，通过基准平面、芯片平面计算出石英谐振梁芯片相对于TO底座环形封接面的平行度。

本发明的有益效果在于：

二维调整平台具有2个线位移自由度，分别进行水平方向和垂直方向的位移调节；

位移探测装置的精密位移探测头的位移测量方式是非接触式，测量时与被测零件(TO部件)无接触，避免了对石英谐振梁芯片表面产生接触测量损伤(避免了对石英谐振梁芯片造成划伤或破坏)；并且由于是非接触测量，可以用于石英谐振梁芯片贴片工艺过程中的在线检测，便于实时调整贴片的平行度误差，而无需担心接触式测量对贴片工艺本身的影响；该平行度测量装置的测量效率高，适合大批量制造过程中的工艺检测和测量；而且不会破坏石英谐振梁芯片贴片平行度，确保侧脸结果准确性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置的整体结构示意图；

图2是石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置(无转台控制器、位移测量控制器、上位机)的结构示意图；

图3是真空吸盘与TO部件的连接结构示意图；

图4是平行度的计算示意图；

图中：1-载物台，1.1-精密转台，1.2-四维调整机构，1.2.1-线位移调节手柄，1.2.2-倾斜调节手柄，1.3-真空吸盘，1.3.1-周向真空吸槽，1.3.2-径向真空吸槽，1.4-转台控制器，1.5-上位机，2-检测头固定支架，2.1-底板，2.2-支撑杆底座，2.3-支撑杆，2.4-支撑平板，2.5-L型固定座，2.6-二维调整平台，2.6.1-水平方向调节螺杆，2.6.2-竖直方向调节螺杆，2.7-转接板，2.8-探测头夹持座，3-位移探测装置，3.1-位移测量控制器，3.2-精密位移探头；4-TO部件，4.1-TO部件环形封接面，4.2-石英谐振梁芯片上表面；5.1-基准平面，5.2-芯片平面，5.3和5.4-平行平面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1-图3，一种石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其包括载物台1、检测头固定支架2和位移探测装置3。

载物台1包括精密转台1.1、四维调整机构1.2、真空吸盘1.3、上位机1.5、转台控制器1.4。精密转台1.1安设在检测头固定支架2的底板2.1上，精密转台1.1的内置驱动电机(匹配有圆光栅)与悬浮主轴连接。四维调整机构1.2安设在精密转台1.1上面，包括2个水平方向的线位移调节手柄1.2.1和分别绕两个水平方向轴的倾斜调节手柄1.2.2，能沿2个水平方向位移调整和分别绕两个水平方向轴的倾斜调整。真空吸盘1.3置于四维调整机构1.2上，用于固定TO部件4，其包括吸盘本体和设于吸盘本体上的周向真空吸槽1.3.1、径向真空吸槽1.3.2，吸盘本体的中心孔与真空管道连接；TO部件4置于吸盘本体上，通过周向真空吸槽1.3.1、径向真空吸槽1.3.2固定在真空吸盘上。上位机1.5控制转台控制器1.4工作，进而转台控制器1.4控制精密转台1.1内置驱动电机工作，从而控制精密转台1.1旋转，四维调整机构1.2、真空吸盘1.3随精密转台1.1一起旋转。

检测头固定支架2包括底板2.1、支撑杆2.3、支撑平板2.4、二维调整平台2.6、转接板2.7和探测头夹持座2.8。支撑杆2.3通过支撑杆底座2.2固定在底板2.1上。支撑平板2.4置于支撑杆2.3上。二维调整平台2.6通过L型固定座2.5固定在支撑平板2.4上。探测头夹持座2.8通过转接板2.7固定在二维调整平台2.6上。二维调整平台2.6包括水平方向调节螺杆2.6.1、竖直方向调节螺杆2.6.2；竖直方向调节螺杆2.6.2调整位移探测装置3的精密位移探头3.2的基准距离；水平方向调节螺杆2.6.1调整位移探测装置3的精密位移探头3.2的水平位置。

位移探测装置3包括精密位移探头3.2和位移测量控制器3.1。精密位移探头3.2置于TO部件4上方，安设在探测头夹持座2.8上，不与TO部件4接触。精密位移探头3.2将采集的TO部件4的位移数据(TO部件环形封接面4.1所在平面、石英谐振梁芯片上表面4.2所在平面)传递给位移测量控制器3.1，位移测量控制器3.1将收到的数据传递给载物台1的上位机1.5，上位机1.5计算平行度误差。

本发明中，载物台1用于对TO部件4进行固定，及在测量TO部件环形封接面4.1所在平面时，使精密位移探头3.2的激光光斑在载物台1旋转一周的过程中始终打在TO部件环形封接面4.1上(即TO部件的环形封接面4.1处于精密位移探测头3.2的测量区域内)；以及在测量石英谐振梁芯片上表面4.2所在平面时，使精密位移探头3.2的激光光斑在载物台1旋转一周的过程中始终打在石英谐振梁芯片上(即TO部件4上的石英谐振梁芯片上表面4.2处于精密位移探测头3.2的测量区域内)。检测头固定支架2用于固定位移探测装置3，及调整位移探测装置3的精密位移探头3.2的水平和竖直位置。

精密位移探测头3.2可以是激光同轴位移传感器、CMOS激光位移传感器或CCD激光位移传感器等非接触式精密位移探测器。

精密转台1.1通过螺钉固定在底板2.1上。检测头固定支架2的底板2.1、支撑杆2.3、支撑平板2.4、L型固定座2.5、二维调整平台2.6、转接板2.7和探测头夹持座2.8之间通过螺钉连接。

参见图4，一种石英谐振梁芯片贴片平行度测量方法，该方法采用上述石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置；主要包括如下步骤：

第一步：TO部件固定：

真空吸盘1.3采用铝合金材料，其上表面表面光洁度优于Ra0.04，平面度优于0.005mm；

TO部件4(石英谐振梁芯片贴片后的TO部件)放置在真空吸盘1.3中心，开启真空系统，通过轴向真空吸槽1.3.1和径向真空吸槽1.3.2将TO部件4吸附固定；

第二步：TO部件4测量对准

精密位移探头3.2采用激光同轴位移计，精度优于0.2μm，测量范围大于3mm，基准距离大于20mm；

通过二维调整平台2.6的水平方向调节螺杆2.6.1调整精密位移探头3.2的水平位置，使激光光斑指示在TO部件环形封接面4.1上；接着通过竖直方向调节螺杆2.6.2调整精密位移探头3.2到TO部件环形封接面4.1的基准距离，满足竖直方向的基准距离要求；

第三步：位移测量

精密转台1.1采用高精度气浮转台，其端面跳动小于0.1μm，定位精度优于20″；四维调整机构1.2的水平调整范围大于5mm，水平调节精度优于10μm；倾斜调整范围大于1°，倾斜调整精度优于20″；

开启精密转台1.1，带动真空吸盘1.3旋转一周，观察精密位移探头3.2的激光光斑，调整位移调节手柄1.2.1，使精密转台1.1在旋转一周过程中，激光光斑始终打在TO部件环形封接面4.1上；开启精密位移探头3.2，精密转台1.1旋转一周，上位机连续采集TO部件环形封接面4.1位移，通过数据处理显示为一条倾斜直线；调整倾斜调节手柄1.2.2，使得倾斜直线显示成为一条水平直线，并记录精密转台1.1旋转一周时，TO部件环形封接面4.1精确位移；

通过二维调整平台2.6的水平方向调节螺杆2.6.1调整精密位移探头3.2的水平位置，使其激光光斑在精密转台1.1旋转一周过程中始终打在石英谐振梁芯片上，并记录精密转台1.1旋转一周时，石英谐振梁芯片上表面4.2精确位移；

第四步：平行度误差计算

TO部件环形封接面4.1的多点精确位移测量数据，通过最小二乘法线性拟合位移数据，确定TO部件环形封接面4.1所在平面，并定义为基准平面5.1；石英谐振梁芯片上表面4.2的多点精确位移测量数据，通过最小二次法线性拟合位移数据，确定石英谐振梁芯片上表面4.2所在平面，并以石英谐振梁芯片最大外径定义平面边界，最终定义芯片平面5.2；

平行平面5.3和5.4与基准平面5.1平行，且芯片平面5.2必须夹在平行平面5.3和5.4之间，计算平行平面5.3和5.4之间的距离t，即为平行度误差。

参照图4，基准平面5.1是由TO部件环形封接面4.1位移测量数据通过一定算法处理后所定义的平面。芯片平面5.2是由石英谐振梁芯片上表面4.2位移测量数据通过一定算法处理后所定义的平面。平行平面5.3和5.4平行于基准平面5.1，芯片平面5.2正好夹在平行平面5.3和5.4之间。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其特征在于：包括载物台、检测头固定支架和位移探测装置；

所述载物台安设在检测头固定支架上；用于对TO部件进行固定；测量TO部件环形封接面所在平面时，使位移探测装置的激光光斑在载物台旋转一周的过程中始终打在TO部件环形封接面上；测量石英谐振梁芯片上表面所在平面时，使位移探测装置的激光光斑在载物台旋转一周的过程中始终打在石英谐振梁芯片上；

所述检测头固定支架用于固定位移探测装置，及调整位移探测装置的精密位移探头的水平和竖直位置；

所述位移探测装置置于载物台上方，安设在检测头固定支架上，不与载物台上的TO部件接触，用于测量TO部件环形封接面所在平面及测量石英谐振梁芯片上表面所在平面的位移数据，及计算平行度误差。

2.根据权利要求1所述的石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其特征在于：所述载物台包括精密转台、四维调整机构、TO部件固定部、上位机、转台控制器；精密转台安设在检测头固定支架的底板上；四维调整机构安设在精密转台上面，能沿2个水平方向位移调整和分别绕两个水平方向轴的倾斜调整；TO部件固定部置于四维调整机构上，用于固定TO部件；上位机控制转台控制器工作，进而转台控制器控制精密转台内置驱动电机工作，从而控制精密转台旋转，四维调整机构、TO部件固定部随精密转台一起旋转。

3.根据权利要求2所述的石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其特征在于，TO部件固定部包括真空吸盘；所述真空吸盘包括吸盘本体和设于吸盘本体上的周向真空吸槽、径向真空吸槽，吸盘本体的中心孔与真空管道连接；TO部件置于吸盘本体上，通过周向真空吸槽、径向真空吸槽固定在真空吸盘上。

4.根据权利要求2所述的石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其特征在于：所述四维调整机构包括2个水平方向的线位移调节手柄和分别绕两个水平方向轴的倾斜调节手柄。

5.根据权利要求1所述的石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其特征在于：所述检测头固定支架包括底板、支撑杆、支撑平板、二维调整平台、转接板和探测头夹持座；所述支撑杆固定在底板上，所述支撑平板置于支撑杆上，所述二维调整平台安设在支撑平板上；所述探测头夹持座通过转接板固定在二维调整平台上。

6.根据权利要求5所述的石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其特征在于：所述二维调整平台包括水平方向调节螺杆、竖直方向调节螺杆；二维调整平台的竖直方向调节螺杆调整位移探测装置的精密位移探头的基准距离；TO部件的石英谐振梁芯片上表面处于精密位移探测头的测量区域内。

7.根据权利要求5所述的石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其特征在于：所述二维调整平台通过L型固定座与支撑平板连接。

8.根据权利要求5所述的石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其特征在于：所述支撑杆通过支撑杆底座固定在底板上。

9.根据权利要求1所述的石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置，其特征在于：所述位移探测装置包括精密位移探头和位移测量控制器，所述精密位移探头安设在检测头固定支架的探测头夹持座上，精密位移探头将采集的TO部件的位移数据传递给位移测量控制器，位移测量控制器将收到的数据传递给上位机。

10.一种石英谐振梁芯片贴片平行度测量方法，其特征在于：所述方法采用权利要求1-9中任一所述的石英谐振梁芯片贴片平行度测量装置；

所述方法包括如下步骤：

(1)将石英谐振梁芯片贴片后的TO部件放置在载物台上，通过真空吸盘吸附固定；

(2)调节二维调整平台的水平和竖直线位移自由度和四维调整机构的2个水平面的线位移自由度，使在精密转台转动一周过程中，TO部件的环形封接面处于精密位移探测头的测量区域内；

(3)精密转台转动一周，精密位移探测头测量TO部件环形封接面的多点位移，确定TO部件环形封接面；调节四维调整机构的2个倾斜自由度，使TO部件环形封接面处于水平状态；

(4)调节二维调整平台的水平线位移自由度，使在精密转台转动一周过程中，TO部件上的石英谐振梁芯片上表面处于精密位移探测头的测量区域内；

(5)精密转台转动一周，精密位移探测头测量TO部件石英谐振梁芯片上表面的多点位移，确定石英谐振梁芯片上表面；

(6)确定TO部件环形封接面所在平面，并定义为基准平面，以及确定石英谐振梁芯片上表面所在平面，并以石英谐振梁芯片最大外径定义平面边界，定义芯片平面，通过基准平面、芯片平面计算出石英谐振梁芯片相对于TO底座环形封接面的平行度。

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