[实用新型]一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种超精密尺寸三维测量工具，特别是公开一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，用于微结构的亚微米级几何量3D测量。

背景技术

随着超精密加工技术、MEMS加工工艺的快速发展，半导体工业中高精度相关微小器件和结构的制造得到了极大的发展，主要体现在尺寸跨度越来越大、结构复杂程度越来越高，制造精度不断提高，因而对微纳米尺寸测量与表征技术提出了更高的要求。从工程设计到样机研究制造再到质量控制分析以及最终的在产品的制造和最终的元件和工件的检查，几乎所有的领域，微纳米尺寸测量与表征技术的影响力越来越大。这推动了基于新原理、新算法、更高精度和尺寸跨度的测量装置的研究。具有大范围、高精度，开发研究用于测量三维尺寸、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研究工作。

坐标测量技术以传统的坐标测量机为测量平台，结合触发式或者模拟式测头对被测工件进行检测，但传统的坐标测量技术的检测精度只能达到微米或者几百纳米，已经不能满足上述的测量的要求。许多的工业机构以及科研领域都要求亚纳米分辨率的三维坐标测量系统来测量分辨率高，机械性能好的光学元件。并且可以测量用来制作显微镜头的制作元件及制作工具。为了达到上述要求，纳米定位和纳米测量仪器必须升级为同时拥有3D功能和3D接触式探针功能的系统。

发明内容

本实用新型的目的是解决现有技术的缺陷，设计一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，本实用新型结合精密装配技术，采用MEMS微加工工艺，可用作纳米坐标测量机的零点定位传感器，实现对微结构及器件的测量和表征。

本实用新型是这样实现的：一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头，所述的测头由方形底板、电容传感器阵列、十字梁和测针组成，其特征在于：所述的测头有多个电容传感单元，呈阵列式分布于方形底板上，测针连接在十字梁的中心连接体上，十字梁的悬臂与电容传感器上极板相连，上极板通过微弹簧悬挂单元悬挂，所述上极板的悬挂采用若干个微弹簧实现，微弹簧不仅用于固定电容传感器的上极板，还用于支撑十字梁和测针重量，由测针及十字梁组成的杠杆结构将被测物的横向位移放大并转化为电容上极板的轴向位移，解决单个电容传感器测量时横向分辨力低的问题。采用4个电容传感器组成圆周阵列作为敏感单元，同一方向上的两个电容传感器连接成差动方式，提高测头灵敏度和抗干扰能力。所述的测头有两种装配方式，根据不同的测量场合选择支撑型或悬挂型装配方式。

本实用新型一种基于电容传感器阵列的三维微接触式测头具有以下特征：

1、所述的十字梁和测针作为位移传递单元，电容传感器阵列作为敏感单元。测针由测端球和测杆组成，利用环氧树脂固定在十字梁的中心连接体中央。测量时，测端球的位移通过测杆和十字梁传递到电容传感器的上极板，引起电容传感器极板间距离和面积的改变，从而使电容值发生变化。通过检测电容值的变化量，建立合理的数学模型，即可得到微小位移量。

2、采用MEMS微加工工艺，在方形底板上制作电容传感器阵列。电容传感器包括上极板、下极板和上极板悬挂单元三部分。上极板的悬挂采用4个微弹簧实现，微弹簧性能的好坏直接影响测量精度。微弹簧的数量及强度可根据十字梁及测针的重量确定，也可设计为具有8个微弹簧的悬挂单元。

3、十字梁的作用是将测针测端球的位移传递给电容传感器阵列，从而改变传感器电容值。同时，十字梁应具有较好的刚度，以减小因悬臂变形引入的误差。十字梁的中心连接体厚度设计为与悬臂相同，以减少重量，从而减小悬臂变形。悬臂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，由重力及测量力引起的悬臂扰度也随着增大。

4、针对十字梁及测针的自重问题，亦可通过在中心连接体下部或上部加装弹簧进行补偿。当弹簧位于下部时，处于压缩状态；位于上部时，处于拉伸状态。

5、测针的测杆采用碳化钨材料，以保证刚度及减小测针的重量；测端球采用红宝石材料，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。

6、为保证测针与十字梁、十字梁与电容传感器阵列连接的垂直度及可靠性，使用高精度粘针平台进行装配。

7、采用4个电容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，特别是对于横向尺寸的测量，由测针及十字梁组成的杠杆机构对横向位移有一个放大作用，并能将其转化为电容极板的轴向运动，对于采用电容方法检测微小位移具有重要意义。