專利名稱：接觸式測頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及檢測領(lǐng)域，具體涉及一種接觸式測頭。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體、太陽能、光學(xué)玻璃等行業(yè)中，有大量產(chǎn)品表面具有高亮度反光特性。如半導(dǎo)體行業(yè)中的芯片基材，厚度一般在0.3_以下，材料為不銹鋼片、鎳片、鎳合金片、電鑄片等。根據(jù)性能要求不同，需要經(jīng)過電鑄、電鍍、拋光、蝕刻等工序，最后才能加工成成品，無論是原材料、半成品或是成品，其表面均呈高亮反光特性。而太陽能行業(yè)中的晶圓(wafer)，本身由4層材料構(gòu)成，第I層為wafer層、第2層為粘合劑、第3層為玻璃、第4層為膠帶，各層之間通過壓合工藝制作成wafer成品，要保證最終成品厚度均勻性，就需要控制各層相互壓合后的厚度均勻性，尤其是wafer層和玻璃層，表面均具有高亮度反光甚至透明特性。光學(xué)玻璃行業(yè)中的各類鏡片，除自身為透明材質(zhì)外，同樣具有高亮度反光特性。隨著市場對該行業(yè)產(chǎn)品性能提出越來越高的要求，這些基礎(chǔ)材料的厚度等重要特征的質(zhì)量控制越來越嚴(yán)格，以確保最終成品的性能和可靠性。針對這些具有高亮度反光特性的材料，以往厚度測量方法一般均是通過非接觸式測量方法來進(jìn)行測量，測量原理為通過激光位移傳感器發(fā)出一束光，打在材料表面，以與入射光束呈一定角度反射，被激光位移傳感器信號接收窗口接收。如果材料表面凸凹不平，則會直接反映到接收窗口，并通過內(nèi)部標(biāo)尺，實時測量所反饋光束因材料表面高低不平所產(chǎn)生的位移變化量，通過機器視覺 和圖像處理技術(shù)，即可計算出這個變化量的具體數(shù)值，最終計算出薄板材厚度。測量時，先將厚度為A的標(biāo)準(zhǔn)塊放置在測量工位上、下測頭之間的支撐平臺上，測量標(biāo)準(zhǔn)塊的厚度，以對測量系統(tǒng)進(jìn)行校零操作。假定被測薄鋼板厚度為I則實際被測物厚度為S=A- (x-a)- (y-b)。這種測量方法在針對具有高亮度反光特性的材料厚度測量時，材料表面微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為類似“皺紋”狀特性。如圖1所示，這種微觀結(jié)構(gòu)尺寸往往在IOum甚至更小范圍內(nèi)，但足以對激光光束反射角度造成較大影響，直接導(dǎo)致測量精度下降。另外，由于機器視覺和圖像處理技術(shù)發(fā)展到今天，最小分辨率還只能到亞微米級，使得最終精密薄材的測量精度難有突破，而高端電子產(chǎn)品市場對產(chǎn)品性能要求越來越高，從而對用于電路基材的各類薄板材也提出了更高的質(zhì)量要求。傳統(tǒng)厚度測量方法難以滿足高精度測量需求。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是解決表面高反薄板材厚度測量工具難以滿足高精度測量需求的問題。為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采用的技術(shù)方案是提供一種接觸式測頭，包括測頭安裝座、探針、方形空氣導(dǎo)軌、激光位移傳感器和光柵尺，所述測頭安裝座上固定有測頭安裝底板，所述測頭安裝底板上固定有方形空氣導(dǎo)軌，所述方形空氣導(dǎo)軌上端固定有空氣導(dǎo)軌進(jìn)氣座，所述空氣導(dǎo)軌進(jìn)氣座上設(shè)有空氣導(dǎo)軌導(dǎo)芯供氣接頭，所述方形空氣導(dǎo)軌包括導(dǎo)芯和套在所述導(dǎo)芯上的方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座，所述導(dǎo)芯頂端設(shè)有進(jìn)氣口，底端固定有所述探針，所述方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座的一個外側(cè)面開有方形導(dǎo)軌進(jìn)氣口，所述方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座內(nèi)設(shè)有導(dǎo)氣槽，四個內(nèi)側(cè)面上開有導(dǎo)向面開口，所述導(dǎo)氣槽內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)入導(dǎo)向面開口并在所述方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座和導(dǎo)芯之間形成氣膜層，所述探針上套有精密彈簧，所述探針的底端固定有接觸工件表面的紅寶石球，所述光柵尺固定于所述導(dǎo)芯的頂端，通過與所述光柵尺平行安裝的所述激光位移傳感器來測定所述探針隨工件表面形貌變化而導(dǎo)致導(dǎo)芯上下垂直運動的位移量。在上述接觸式測頭中，所述測頭安裝底板的頂端固定有與所述激光位移傳感器連接的傳感器數(shù)據(jù)傳輸線纜。在上述接觸式測頭中，所述測頭安裝底板包括上端的頂板和底端的底板。在上述接觸式測頭中，所述激光位移傳感器通過傳感器安裝板固定在所述測頭安裝底板上。本實用新型提供的接觸式測頭，測量力精確可控，完全排除了非接觸式測量所存在的技術(shù)問題。相比于光學(xué)測量精度受制于機器視覺和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，采取接觸式測量的測量精度更高，該方法為半導(dǎo)體、太陽能、光學(xué)玻璃等行業(yè)中材料表面具有高亮度反光特性的高端產(chǎn)品厚度測量提供優(yōu)化解決方法。

圖1為本實用新型提供的表面微觀結(jié)構(gòu)對反光光束影響示意圖，其中:1.具有微觀結(jié)構(gòu)的被測物；2.實際反光光束；3.收光窗口 ；4.激光位移傳感器；5.發(fā)光窗口 ；6.理論反光光束；7.發(fā)射光束。圖2為本實用新型提供的精密接觸式測頭示意圖，其中:15.探針；16.精密彈簧；17.方形空氣導(dǎo)軌；18.空氣導(dǎo)軌進(jìn)氣座；19.激光位移傳感器；20.激光位移傳感器固定螺釘；21.頂板；22.傳感器數(shù) 據(jù)傳輸線纜；23.傳感器線纜接頭；24.傳感器安裝板；25.光柵尺；26.空氣導(dǎo)軌導(dǎo)芯供氣接頭；27.測頭安裝座；28.測頭安裝螺釘；29.測頭安裝底板；30.底板。圖3為本實用新型提供的方形空氣導(dǎo)軌示意圖，其中:34.導(dǎo)芯；35.方形導(dǎo)軌進(jìn)氣口 ；36.導(dǎo)芯進(jìn)氣口 ；37.方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座。圖4為本發(fā)明提供的表面高反薄板材厚度測量方法示意圖，其中:38.下接觸式測頭；39.工件承載臺；40.上接觸式測頭；41.標(biāo)準(zhǔn)塊；42.導(dǎo)芯簡化體。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作出詳細(xì)的說明。如圖2、圖3所示，本實用新型提供的接觸式測頭包括測頭安裝座27、探針15、方形空氣導(dǎo)軌17、激光位移傳感器19和光柵尺25，測頭安裝座27上固定有測頭安裝底板29，測頭安裝底板29上固定有方形空氣導(dǎo)軌17，方形空氣導(dǎo)軌17上端固定有空氣導(dǎo)軌進(jìn)氣座18，空氣導(dǎo)軌進(jìn)氣座18上設(shè)有空氣導(dǎo)軌導(dǎo)芯供氣接頭26，方形空氣導(dǎo)軌17包括導(dǎo)芯34和套在導(dǎo)芯34上的方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座37，導(dǎo)芯34頂端設(shè)有進(jìn)氣口，底端固定有探針15，方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座37的一個外側(cè)面開有方形導(dǎo)軌進(jìn)氣口，方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座37內(nèi)設(shè)有導(dǎo)氣槽，四個內(nèi)側(cè)面上開有導(dǎo)向面開口，導(dǎo)氣槽內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)入導(dǎo)向面開口并在方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座37和導(dǎo)芯34之間形成氣膜層，探針15上套有精密彈簧16，探針15的底端固定有接觸工件表面的紅寶石球，光柵尺25固定于導(dǎo)芯34的頂端，通過與光柵尺25平行安裝的激光位移傳感器19來測定探針15隨工件表面形貌變化而導(dǎo)致導(dǎo)芯34上下垂直運動的位移量。測頭安裝底板29包括上端的頂板21和底端的底板30，測頭安裝底板29的頂端固定有與激光位移傳感器19連接的傳感器數(shù)據(jù)傳輸線纜22。激光位移傳感器19通過傳感器安裝板24固定在測頭安裝底板29上。下面詳細(xì)說明測量過程:供應(yīng)給導(dǎo)芯34內(nèi)部的壓縮空氣會在導(dǎo)芯34內(nèi)部產(chǎn)生一個垂直向下的力P，如圖4所示，導(dǎo)芯34自身重力為G，在這兩個垂直向下的力的綜合作用下，將向下擠壓精密彈簧16，精密彈簧16將隨之產(chǎn)生一個向上的反作用力F，通過精確控制供應(yīng)給導(dǎo)芯34的壓縮空氣氣壓，則可精確控制垂直向下的力P的大小，從而實現(xiàn)導(dǎo)芯34在垂直方向上的力學(xué)平衡，此時安裝在導(dǎo)芯34下端的探針15同樣處于垂直方向的力學(xué)平衡狀態(tài)中。當(dāng)探針15下端的紅寶石球接觸到工件表面時，則被測工件會瞬間有一個向上推動探針15的作用力，如果探針15剛接觸工件表面時該反作用力較大時，則易對工件表面損傷。因此，務(wù)必在探針15接觸工件表面前，精確調(diào)節(jié)壓力P，使得探針15在接觸過程中處于垂直方向的力學(xué)平衡狀態(tài)中。而為了探針15上的紅寶石球始終與工件表面保持接觸狀態(tài)，可微量增加力P，使得探針15向下作用在工件表面上力略大于其反作用力。根據(jù)工件表面特性不同，合適地控制供應(yīng)給導(dǎo)芯34的壓縮空氣氣壓，從而精確控制力P的大小，來實現(xiàn)測量過程中始終保證探針15端部的紅寶石球與工件表面保持接觸，且該接觸力相對工件表面大小適中，確保在在工件各測量點處測量力恒定不變，以保證重復(fù)測量精度。
測量前，下接觸式測頭因向上吹氣壓力作用，將探針15向上頂，并使精密彈簧16處于微量壓縮狀態(tài)，此時精密彈簧16壓縮量為HO，同時探針15超出工件承載臺也為HO。而上接觸式測頭安裝在垂直于被測工件的Z軸上，在測頭中向下吹氣的壓力、重力及精密彈簧16因被吹氣壓力和重力同時作用而產(chǎn)生的向上反作用共同作用下，在垂直方向上處于力學(xué)平衡狀態(tài)，此時Z軸位置為Z0。在測量實際薄板材前，采用厚度為A的標(biāo)準(zhǔn)塊來對測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，將該標(biāo)準(zhǔn)塊放置在工件承載臺中，此時，標(biāo)準(zhǔn)塊下表面將壓住下接觸式測頭的探針15，使該測頭有一個Hl的位移量，在測量系統(tǒng)中將該值作為下接觸式測頭的零位。而上接觸式測頭在Z軸帶動下向下運動，直到探針15接觸到標(biāo)準(zhǔn)塊的上表面，假定運動到向下運動到Zl位置，此時向下的吹氣壓力、探針15自身重力及向上精密彈簧16反作用力、工件表面反作用力等在該處處于力學(xué)平衡，探針15的向上的位移量為(Z1-Z0)，也即為精密彈簧16的壓縮量，被上接觸式測頭的激光位移傳感器19精確讀取。此時，測量系統(tǒng)精確得到在測量厚度為A的標(biāo)準(zhǔn)塊時，下接觸式測頭的零位和上接觸式測頭的位移量讀數(shù)、吹氣壓力等參數(shù)。向上抬起上接觸式測頭返回到ZO位置，移開標(biāo)準(zhǔn)塊，更換上被測薄板材，假設(shè)該薄板材的厚度為L。則下接觸式測頭的探針15再次受該工件壓制，產(chǎn)生的位移量為H2，則說明下測頭因為表面特性造成與標(biāo)準(zhǔn)塊壓制探針15時不同的變化值，實際該點在下方向上相對標(biāo)準(zhǔn)塊的厚度變化為(H2-H1)。上測頭在Z軸帶動下接觸工件的上表面，并保持吹氣力不變，此時Z軸位移為Z2，實際的精密彈簧16壓縮量為(Z2-Z0)。則可以得出如下關(guān)系:[0020](Zl-ZO)+A+H1=(Z2_Z0)+L+H2則被測薄板材的厚度值L=(Zl-ZO)+A+H1-(Z2-Z0)-H2=A+Z1-Z2+H1-H2。上、下接觸式測頭將測量值實時傳輸?shù)綔y量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)將根據(jù)上述公式快速計算得到該薄板材的實際厚度值。將該厚度值與該批次薄板材厚度質(zhì)量控制線進(jìn)行對比，一旦發(fā)現(xiàn)該值不在事先設(shè)置的薄板材厚度質(zhì)量指標(biāo)控制線內(nèi)，則系統(tǒng)會自動報警，該薄板材將被作為不合格品處理，在其進(jìn)入出料工位時則被移出測量系統(tǒng)，而如果合格則將其作為合格品處理，放置在合格品區(qū)，再進(jìn)行下一張薄板材的測量，循環(huán)往復(fù)。本實用新型所公開的接觸式測頭，能解決以往半導(dǎo)體、太陽能、光學(xué)玻璃等行業(yè)中材料表面具有高亮度反光特性的高端產(chǎn)品厚度采用非接觸式測量時因表面微觀結(jié)構(gòu)對激光光束反光角度造成較大影響、直接導(dǎo)致測量精度下降、測量值不穩(wěn)定等問題。并相比于傳統(tǒng)光學(xué)測量精度受制于機器視覺和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，采取接觸式測量的測量精度更高，該方法為半導(dǎo)體、太陽能、光學(xué)玻璃等行業(yè)中材料表面具有高亮度反光特性的高端產(chǎn)品厚度測量提供優(yōu)化解決方法。本實用新型不局限于上述最佳實施方式，任何人應(yīng)該得知在本實用新型的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化，凡是與本實用新型具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本實用新型的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求1.接觸式測頭，其特征在于，包括測頭安裝座、探針、方形空氣導(dǎo)軌、激光位移傳感器和光柵尺，所述測頭安裝座上固定有測頭安裝底板，所述測頭安裝底板上固定有方形空氣導(dǎo)軌，所述方形空氣導(dǎo)軌上端固定有空氣導(dǎo)軌進(jìn)氣座，所述空氣導(dǎo)軌進(jìn)氣座上設(shè)有空氣導(dǎo)軌導(dǎo)芯供氣接頭，所述方形空氣導(dǎo)軌包括導(dǎo)芯和套在所述導(dǎo)芯上的方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座，所述導(dǎo)芯頂端設(shè)有進(jìn)氣口，底端固定有所述探針，所述方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座的一個外側(cè)面開有方形導(dǎo)軌進(jìn)氣口，所述方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座內(nèi)設(shè)有導(dǎo)氣槽，四個內(nèi)側(cè)面上開有導(dǎo)向面開口，所述導(dǎo)氣槽內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)入導(dǎo)向面開口并在所述方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座和導(dǎo)芯之間形成氣膜層，所述探針上套有精密彈簧，所述探針的底端固定有接觸工件表面的紅寶石球，所述光柵尺固定于所述導(dǎo)芯的頂端，通過與所述光柵尺平行安裝的所述激光位移傳感器來測定所述探針隨工件表面形貌變化而導(dǎo)致導(dǎo)芯上下垂直運動的位移量。
2.如權(quán)利要求1所述的接觸式測頭，其特征在于，所述測頭安裝底板的頂端固定有與所述激光位移傳感器連接的傳感器數(shù)據(jù)傳輸線纜。
3.如權(quán)利要求1所述的接觸式測頭，其特征在于，所述測頭安裝底板包括上端的頂板和底端的底板。
4.如權(quán)利要求1所述的接觸式測頭，其特征在于，所述激光位移傳感器通過傳感器安裝板固定在所述 測頭安裝底板上。
專利摘要本實用新型公開了一種接觸式測頭，包括測頭安裝座、探針、方形空氣導(dǎo)軌、激光位移傳感器和光柵尺，所述測頭安裝座上固定有測頭安裝底板，所述測頭安裝底板上固定有方形空氣導(dǎo)軌，所述方形空氣導(dǎo)軌包括導(dǎo)芯和套在所述導(dǎo)芯上的方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座，所述導(dǎo)芯頂端設(shè)有進(jìn)氣口，底端固定有所述探針，所述方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座的一個外側(cè)面開有方形導(dǎo)軌進(jìn)氣口，所述方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座內(nèi)設(shè)有導(dǎo)氣槽，四個內(nèi)側(cè)面上開有導(dǎo)向面開口，所述導(dǎo)氣槽內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)入導(dǎo)向面開口并在所述方形導(dǎo)軌導(dǎo)向座和導(dǎo)芯之間形成氣膜層。本實用新型采用測量力精確可控的高精度接觸式測頭來進(jìn)行高反材料厚度測量，完全排除了非接觸式測量所存在的技術(shù)問題。
文檔編號G01B11/06GK203148391SQ20132012579
公開日2013年8月21日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者崔華 申請人:昆山允可精密工業(yè)技術(shù)有限公司