CN103075952B - 一种用于微纳米尺度二维尺寸测量的微触觉测头 - Google Patents

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本发明为一种用于微纳米尺度二维尺寸测量的微触觉测头，其特征在于：所述的微触觉测头由圆形基底、电容式传感器阵列、悬梁、测针、悬挂弹簧及限位结构组成；圆形基底用于固定传感器阵列及悬梁；电容式传感器阵列作为敏感单元，用以感知位移变化；悬梁用于连接测针及传感器阵列；测针直接与被测物接触，以探测并传递位移量；悬挂弹簧起悬挂、调平悬梁的作用，并可调节测量力；限位结构用来限制悬梁及测针运动的自由度，使其只能以悬梁顶端的小球球心为原点旋转，从而消除了测针和悬梁的整体偏移，保证了横向位移测量的精度。

Description

一种用于微纳米尺度二维尺寸测量的微触觉测头
技术领域
本发明涉及一种超精密尺寸测量工具，特别是公开一种用于微纳米尺度二维尺寸测量的微触觉测头，属于微纳米几何量测量领域。
背景技术
随着微纳加工技术的迅速发展，器件特征尺寸和与之关联的公差不断减小，而其形状结构的复杂程度却不断增加，这就对微纳尺度的几何量检测提出了更高的需求。在半导体工业中，检测的精度要求已经达到亚微米或者纳米水平，检测对象的范围也扩大到具有特殊或者复杂结构的微器件和微结构。开发不确定度小于0.1 μm的测头将有效促进纳米坐标测量***的发展。
从传感测头的检测原理角度，主要有基于聚焦原理、光学反射、激光捕获等光学原理的传感测头和基于压阻、电容、电感等非光学原理的传感测头两类。由于光学方法存在衍射极限，***的横向分辨率由物镜的数值孔径决定，所以一般在微米量级。这也就决定了它们不能分辨微米以下更细微的形貌特征。同时，光学方法不能测量某些特定的三维形貌，如物体边缘的孔径，物体表面的方向性和相关尺寸等信息，所以并不能实现真正的三维测量。
以原子力显微镜和扫描隧道显微镜为代表的扫描探针技术利用微观效应，检测控制针尖和样品表面的微电流和微力的大小，对样品表明进行扫描，获得样品的形貌特征和表面特性，具有纳米级的分辨力，但很容易受到测量环境的干扰，对测量结果影响较大。同时，扫描探针显微技术的测量范围只有几十个微米，很大地限制了微结构测量的样品范围，对于较大深宽比的特殊结构无法测量。
因此，开发具有大范围、高精度，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内容。这类研究主要包括两部分：一是大范围、高精度的坐标定位仪器的开发；二是高精度、微尺寸传感器的开发。
发明内容
本发明的目的是克服光学方法和扫描探针技术在范围、精度和被测对象三个方面的限制，提供一种用于微纳米尺度二维尺寸测量的微触觉测头，可用作纳米测量机的零点定位传感器，实现对微结构及器件横向尺寸的大范围、高精度测量。
本发明是这样实现的：一种用于微纳米尺度二维尺寸测量的微触觉测头，其特征在于：所述的微触觉测头由圆形基底、电容式传感器阵列、悬梁、测针、悬挂弹簧及限位结构组成；圆形基底用于固定传感器阵列及悬梁；电容式传感器阵列作为敏感单元，用以感知位移变化；悬梁用于连接测针及传感器阵列；测针直接与被测物接触，以探测并传递位移量；悬挂弹簧起悬挂、调平悬梁的作用，并可调节测量力；限位结构用来限制悬梁及测针运动的自由度，使其只能以悬梁顶端的小球球心为原点旋转，从而消除了测针和悬梁的整体偏移，保证了横向位移测量的精度。
所述的敏感单元阵列由四个电容式传感器组成，电容极板采用超精密加工技术加工成以旋转原点为圆心的部分环形。从而使探测的位移变化与电容值变化呈近似的线性关系。电容式传感器阵列可通过不同的电连接方式连接成变面积型和变电介质型。悬梁采用十字型，以便将测针测量端的位移传递给电容传感器，从而改变电容值。同时，悬梁应具有较好的刚度，以减小因悬臂变形引入的误差。悬梁的中心连接体厚度设计为与悬臂相同，以减少重力引起的悬臂变形。悬臂的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，由重力引起的悬臂扰度也随着增大。针对悬梁及测针的自重问题，可通过合理设计弹簧与悬梁的固定位置，使悬梁的扰度降到最低。
所述的限位结构中间为一圆锥形孔，用以限制测针及悬梁的横向偏移，使测头的运动部分仅能绕悬梁顶端小球球心转动，对测头精度的提高起着重要作用。限位结构下方固定悬挂弹簧，可对悬挂弹簧进行轴向的精调，以使悬梁处于水平状态。亦可通过调节悬挂弹簧来改变测量力。测针的测杆采用碳化钨材料，以保证刚度，并有效减轻测针的重量；测球采用红宝石材料，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。为保证测针与悬梁结构、悬梁结构与电容传感器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。
所述的电容式传感器阵列采用四个电容式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，且测针及悬梁组成的杠杆机构对位移有一个放大作用，放大系数与悬梁的臂长呈正相关。由于采用多个电容，且处于同一方向的两个电容值变化趋势相反，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。测量时，测针端部的位移通过测针及悬梁传递到电容式传感器阵列，引起传感器电容值的变化，通过检测电容变化量，建立位移与电容变化关系的数学模型，即可求得相应的位移。
本发明的有益效果是：
1、采用电容式传感器阵列作为敏感单元；
2、通过设计刚性悬梁，将测针测端的横向位移放大，提高了检测的灵敏度；
3、通过电容的差动连接，提高了电容检测的分辨力和抗干扰能力；
4、通过设计悬梁顶端的限位结构，有效抑制了测量力引起的测针及悬梁的横向偏移，对测头精度的提高有重要意义。
附图说明
图1  是本发明结构示意图。
图2  是本发明圆形基底及电容式传感器阵列结构示意图。
图3  是本发明悬梁及电容式传感器中间极板结构示意图。
图4  是本发明限位结构及悬挂弹簧结构示意图。
图5  是本发明测针结构示意图。
图6  是本发明限位结构与悬梁位置关系示意图。
图7  是本发明电容式传感器变电介质型工作方式接线图。
图8  是本发明电容式传感器变面积型工作方式接线图。
图中：1、限位结构； 2、悬挂弹簧； 3、悬梁； 4、电容式传感器； 5、圆形基底； 6. 测针； 7、圆形基底； 8、立柱； 9、圆形基底通孔； 10、电容式传感器中间极板； 11、悬臂； 12、顶端小球； 13、连杆； 14、中心连接体； 15、通孔； 16、圆锥形孔； 17、圆形基板； 18、测杆； 19、测端小球； R1、电容式传感器中间极板右侧弧线半径； R2、电容式传感器中间极板左侧弧线半径。
具体实施方式
根据附图1，本发明一种用于微纳米尺度二维尺寸测量的微触觉测头，由限位结构1、悬挂弹簧2、悬梁3、电容式传感器4、圆形基底5、测针6组成。附图2中，基底中间开有一个圆形基底通孔9，以便测针穿过并限制测针的横向移动范围，用以防止电容式传感器4过量程。同时圆形基底7上还安装了四根立柱8，用以支撑限位结构。电容式传感器4采用圆周阵列方式排布在圆形基底7上。电容式传感器极板设计成部分环形，以使电容的变化量与悬梁的转动角度呈线性关系。电容式传感器可根据不同的接线方式连接成变电介质型和变面积型，分别如附图7和附图8所示。
附图3中，悬梁设计成十字拓扑结构，中间为一圆形中心连接体14，用以固定测针及减小悬臂交叉点附近的应力。中心连接体14厚度与悬臂11相同，以便在满足强度要求的情况下尽可能减小悬梁的重量。悬臂11末端连接电容式传感器中间极板10，电容式传感器中间极板10的环形曲线曲率设计如附图6，以悬臂11顶端小球12的球心为圆心，选取合适的半径长度，形成圆环，然后截取圆环的一部分作为电容式传感器的中间极板。电容式传感器左右极板的设计方法与电容式传感器中间极板10类似。
附图4中，限位结构的中心为一圆锥形孔16，用以限制悬梁的横向运动自由度，从而保证测量精度。悬挂弹簧2安装在限位结构上，并可对其轴向位置进行微调，以保证悬梁的水平及合适的测量力。测量力由悬挂弹簧2的拉力及悬梁顶端小球12与圆锥形孔16的摩擦力引起。测量力主要通过改变弹簧对悬梁的拉力来调节。
附图5中，测针包括测杆18和测球19两部分，利用超精密加工技术加工。测杆采用碳化钨材料，以同时满足高刚度和低重量的要求。测球采用红宝石材料，在具有业界标准和最佳特性的测球材料中，红宝石是已知最硬的材料之一。红宝石测球的表面极为光滑，具有极高的抗压强度和很高的机械耐磨性。
为保证测针与悬梁、悬梁与电容式传感器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。悬梁与测针、悬梁与电容式传感器中间极板通过环氧树脂粘合。测量时，测针的测端发生微小位移，引起测针及悬梁的转动，进而使电容式传感器的电容值发生改变，通过测量电容值的变化量即可得到微小位移。

Claims (1)

1.一种用于微纳米尺度二维尺寸测量的微触觉测头，其特征在于：所述的微触觉测头由圆形基底、电容式传感器阵列、悬梁、测针、悬挂弹簧及限位结构组成；圆形基底用于固定传感器阵列及悬梁；电容式传感器阵列作为敏感单元，用以感知位移变化；悬梁用于连接测针及电容式传感器阵列；测针直接与被测物接触，以探测并传递位移量；悬挂弹簧起悬挂、调平悬梁的作用，并可调节测量力；限位结构用来限制悬梁及测针运动的自由度，使其只能以悬梁顶端的小球球心为原点旋转，从而消除了测针和悬梁的整体偏移，保证了横向位移测量的精度；圆形基底中间开有一个圆形基底通孔，以便测针穿过并限制测针的横向移动范围，圆形基底上还安装了四根立柱，用以支撑限位结构；
所述的敏感单元阵列由四个电容式传感器组成，电容极板采用超精密加工技术加工成以旋转原点为圆心的部分环形，从而使探测的位移变化与电容值变化呈近似的线性关系；电容式传感器阵列可通过不同的电连接方式连接成变面积型和变电介质型；悬梁设计成十字拓扑结构，中间为一圆形中心连接体，用以固定测针及减小悬臂交叉点附近的应力，悬臂末端连接电容式传感器中间极板，由于悬梁采用了十字型，以便将测针测量端的位移传递给电容式传感器，从而改变电容值，同时，悬梁应具有较好的刚度，以减小因悬臂变形引入的误差；悬梁的中心连接体厚度设计为与悬臂相同，以减少重力引起的悬臂变形，悬臂的长度可根据灵敏度要求确定；
所述的限位结构的中心为一圆锥形孔，用以限制测针及悬梁的横向运动自由度，使测头的运动部分仅能绕悬梁顶端小球球心转动，对测头精度的提高起着重要作用；限位结构下方固定悬挂弹簧，对悬挂弹簧进行轴向位置的微调，以使悬梁处于水平状态，或者通过调节悬挂弹簧来改变测量力；测针包括测杆和测球两部分，测针的测杆采用碳化钨材料，以保证刚度，并有效减轻测针的重量；测球采用红宝石材料，以减小球体的磨损和变形；为保证测针与悬梁结构、悬梁结构与电容传感器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；
所述的电容式传感器阵列采用四个电容式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，且测针及悬梁组成的杠杆机构对位移有一个放大作用，放大系数与悬梁的臂长呈正相关；由于采用多个电容式传感器，且处于同一方向的两个电容值变化趋势相反，故可将其连接成差动形式，不仅提高检测灵敏度，还能有效消除干扰，提高位移检测精度。
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