接觸式測頭及一種表面高反薄板材厚度測量方法技術

本發明專利技術公開了一種接觸式測頭及一種表面高反薄板材厚度測量方法，接觸式測頭包括測頭安裝座、探針、方形空氣導軌、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軌，所述方形空氣導軌包括導芯和套在所述導芯上的方形導軌導向座，所述導芯頂端設有進氣口，底端固定有所述探針，所述方形導軌導向座的一個外側面開有方形導軌進氣口，所述方形導軌導向座內設有導氣槽，四個內側面上開有導向面開口，所述導氣槽內的壓縮空氣進入導向面開口并在所述方形導軌導向座和導芯之間形成氣膜層。本發明專利技術采用測量力精確可控的高精度接觸式測頭來進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問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及檢測領域，具體涉及接觸式測頭及一種表面高反薄板材厚度測量方 法。
技術介紹
在半導體、太陽能、光學玻璃等行業中，有大量產品表面具有高亮度反光特性。如 半導體行業中的芯片基材，厚度一般在〇.3_以下，材料為不銹鋼片、鎳片、鎳合金片、電鑄 片等。根據性能要求不同，需要經過電鑄、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。而太陽能行業中的晶圓（wafer)， 本身由4層材料構成，第1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。 光學玻璃行業中的各類鏡片，除自身為透明材質外，同樣具有高亮度反光特性。隨著市場對 該行業產品性能提出越來越高的要求，這些基礎材料的厚度等重要特征的質量控制越來越 嚴格，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 測量方法來進行測量，測量原理為通過激光位移傳感器發出一束光，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，并通過內部標尺，實時測量所反饋光束因材料表面高低不平所產 生的位移變化量，通過機器視覺和圖像處理技術，即可計算出這個變化量的具體數值，最終 計算出薄板材厚度。測量時，先將厚度為A的標準塊放置在測量工位上、下測頭之間的支撐 平臺上，測量標準塊的厚度，以對測量系統進行校零操作。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，材料表面微觀結構表現為類似皺紋狀特性。如圖1所示，這種微觀結構尺寸 往往在lOum甚至更小范圍內，但足以對激光光束反射角度造成較大影響，直接導致測量精 度下降。另外，由于機器視覺和圖像處理技術發展到今天，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，而高端電子產品市場對產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量要求。傳統厚度測量方法難以滿足 高精度測量需求。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是解決表面高反薄板材厚度測量方法難以滿足高精 度測量需求的問題。 為了解決上述技術問題，本專利技術所采用的技術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軌，所述方形空氣導軌上端固定有空 氣導軌進氣座，所述空氣導軌進氣座上設有空氣導軌導芯供氣接頭，所述方形空氣導軌包 括導芯和套在所述導芯上的方形導軌導向座，所述導芯頂端設有進氣口，底端固定有所述 探針，所述方形導軌導向座的一個外側面開有方形導軌進氣口，所述方形導軌導向座內設 有導氣槽，四個內側面上開有導向面開口，所述導氣槽內的壓縮空氣進入導向面開口并在 所述方形導軌導向座和導芯之間形成氣膜層，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致導芯上下垂 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 接的傳感器數據傳輸線纜。 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。 本專利技術還提供了一種表面高反薄板材厚度測量方法，采用兩個上下相對設置的上 述接觸式測頭，包括以下步驟： A10、測量前，通過進氣接頭分別給兩個測頭放入方形導軌導向座和導芯供氣，使 得導芯在方形導軌導向座中處于懸浮狀態，能無摩擦地僅做垂直上下運動； A20、當兩個測頭的探針下端的紅寶石球接觸到工件的上下表面時，則被測工件會 瞬間有一個推動探針的作用力，隨后探針在接觸過程中處于垂直方向的力學平衡狀態中， 并始終保證探針端部的紅寶石球與工件表面保持接觸； A30、工件和上下兩個探針相對移動時，根據側頭上光柵尺的位移能夠測得工件的 厚度變化。 本專利技術提供的，采用測量力精 確可控的高精度接觸式測頭來進行高反材料厚度測量，完全排除了非接觸式測量所存在的 技術問題。相比于光學測量精度受制于機器視覺和圖像處理技術的發展，采取接觸式測量 的測量精度更高，該方法為半導體、太陽能、光學玻璃等行業中材料表面具有高亮度反光特 性的高端產品厚度測量提供優化解決方法。 【附圖說明】 圖1為本專利技術提供的表面微觀結構對反光光束影響示意圖，其中：1.具有微觀結 構的被測物；2.實際反光光束；3.收光窗口；4.激光位移傳感器；5.發光窗口；6.理論反 光光束；7.發射光束。 圖2為本專利技術提供的精密接觸式測頭示意圖，其中：15.探針；16.精密彈簧； 17.方形空氣導軌；18.空氣導軌進氣座；19.激光位移傳感器；20.激光位移傳感器固定螺 釘；21.頂板；22.傳感器數據傳輸線纜；23.傳感器線纜接頭；24.傳感器安裝板；25.光柵 尺；26.空氣導軌導芯供氣接頭；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為本專利技術提供的方形空氣導軌示意圖，其中：34.導芯；35.方形導軌進氣口； 36.導芯進氣口；37.方形導軌導向座。 圖4為本專利技術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.標準塊；42.導芯簡化體。 【具體實施方式】 下面結合附圖對本專利技術作出詳細的說明。 如圖2、圖3所示，本專利技術提供的接觸式測頭包括測頭安裝座27、探針15、方形空氣 導軌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軌17,方形空氣導軌17上端固定有空氣導軌進氣座18,空 氣導軌進氣座18上設有空氣導軌導芯供氣接頭26,方形空氣導軌17包括導芯34和套在導 芯34上的方形導軌導向座37,導芯34頂端設有進氣口，底端固定有探針15,方形導軌導向 座37的一個外側面開有方形導軌進氣口，方形導軌導向座37內設有導氣槽，四個內側面上 開有導向面開口，導氣槽內的壓縮空氣進入導向面開口并在方形導軌導向座37和導芯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致導芯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連接的傳感器數據傳輸線纜22。激光位移傳感器19通過傳感器 安裝板24固定在測頭本文檔來自技高網...

【技術保護點】
接觸式測頭，其特征在于，包括測頭安裝座、探針、方形空氣導軌、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軌，所述方形空氣導軌上端固定有空氣導軌進氣座，所述空氣導軌進氣座上設有空氣導軌導芯供氣接頭，所述方形空氣導軌包括導芯和套在所述導芯上的方形導軌導向座，所述導芯頂端設有進氣口，底端固定有所述探針，所述方形導軌導向座的一個外側面開有方形導軌進氣口，所述方形導軌導向座內設有導氣槽，四個內側面上開有導向面開口，所述導氣槽內的壓縮空氣進入導向面開口并在所述方形導軌導向座和導芯之間形成氣膜層，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致導芯上下垂直運動的位移量。

【技術特征摘要】
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 軌，所述方形空氣導軌上端固定有空氣導軌進氣座，所述空氣導軌進氣座上設有空氣導軌 導芯供氣接頭，所述方形空氣導軌包括導芯和套在所述導芯上的方形導軌導向座，所述導 芯頂端設有進氣口，底端固定有所述探針，所述方形導軌導向座的一個外側面開有方形導 軌進氣口，所述方形導軌導向座內設有導氣槽，四個內側面上開有導向面開口，所述導氣槽 內的壓縮空氣進入導向面開口并在所述方形導軌導向座和導芯之間形成氣膜層，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 表面形貌變化而導致導芯上下垂直運動的位移量。2. 如權利要求1所述的接觸式測頭，其特征在于，所述測頭安裝底板...

【專利技術屬性】
技術研發人員：崔華，
申請(專利權)人：昆山允可精密工業技術有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇;32