[发明专利]接触式测头及一种表面高反薄板材厚度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及检测领域，具体涉及接触式测头及一种表面高反薄板材厚度测量方法。

背景技术

在半导体、太阳能、光学玻璃等行业中，有大量产品表面具有高亮度反光特性。如半导体行业中的芯片基材，厚度一般在0.3mm以下，材料为不锈钢片、镍片、镍合金片、电铸片等。根据性能要求不同，需要经过电铸、电镀、抛光、蚀刻等工序，最后才能加工成成品，无论是原材料、半成品或是成品，其表面均呈高亮反光特性。而太阳能行业中的晶圆（wafer），本身由4层材料构成，第1层为wafer层、第2层为粘合剂、第3层为玻璃、第4层为胶带，各层之间通过压合工艺制作成wafer成品，要保证最终成品厚度均匀性，就需要控制各层相互压合后的厚度均匀性，尤其是wafer层和玻璃层，表面均具有高亮度反光甚至透明特性。光学玻璃行业中的各类镜片，除自身为透明材质外，同样具有高亮度反光特性。随着市场对该行业产品性能提出越来越高的要求，这些基础材料的厚度等重要特征的质量控制越来越严格，以确保最终成品的性能和可靠性。

针对这些具有高亮度反光特性的材料，以往厚度测量方法一般均是通过非接触式测量方法来进行测量，测量原理为通过激光位移传感器发出一束光，打在材料表面，以与入射光束呈一定角度反射，被激光位移传感器信号接收窗口接收。如果材料表面凸凹不平，则会直接反映到接收窗口，并通过内部标尺，实时测量所反馈光束因材料表面高低不平所产生的位移变化量，通过机器视觉和图像处理技术，即可计算出这个变化量的具体数值，最终计算出薄板材厚度。测量时，先将厚度为A的标准块放置在测量工位上、下测头之间的支撑平台上，测量标准块的厚度，以对测量系统进行校零操作。假定被测薄钢板厚度为δ，则实际被测物厚度为δ=A-（x-a）-（y-b）。这种测量方法在针对具有高亮度反光特性的材料厚度测量时，材料表面微观结构表现为类似“皱纹”状特性。如图1所示，这种微观结构尺寸往往在10um甚至更小范围内，但足以对激光光束反射角度造成较大影响，直接导致测量精度下降。另外，由于机器视觉和图像处理技术发展到今天，最小分辨率还只能到亚微米级，使得最终精密薄材的测量精度难有突破，而高端电子产品市场对产品性能要求越来越高，从而对用于电路基材的各类薄板材也提出了更高的质量要求。传统厚度测量方法难以满足高精度测量需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决表面高反薄板材厚度测量方法难以满足高精度测量需求的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种接触式测头，包括测头安装座、探针、方形空气导轨、激光位移传感器和光栅尺，所述测头安装座上固定有测头安装底板，所述测头安装底板上固定有方形空气导轨，所述方形空气导轨上端固定有空气导轨进气座，所述空气导轨进气座上设有空气导轨导芯供气接头，所述方形空气导轨包括导芯和套在所述导芯上的方形导轨导向座，所述导芯顶端设有进气口，底端固定有所述探针，所述方形导轨导向座的一个外侧面开有方形导轨进气口，所述方形导轨导向座内设有导气槽，四个内侧面上开有导向面开口，所述导气槽内的压缩空气进入导向面开口并在所述方形导轨导向座和导芯之间形成气膜层，所述探针上套有精密弹簧，所述探针的底端固定有接触工件表面的红宝石球，所述光栅尺固定于所述导芯的顶端，通过与所述光栅尺平行安装的所述激光位移传感器来测定所述探针随工件表面形貌变化而导致导芯上下垂直运动的位移量。

在上述接触式测头中，所述测头安装底板的顶端固定有与所述激光位移传感器连接的传感器数据传输线缆。

在上述接触式测头中，所述测头安装底板包括上端的顶板和底端的底板。

在上述接触式测头中，所述激光位移传感器通过传感器安装板固定在所述测头安装底板上。

本发明还提供了一种表面高反薄板材厚度测量方法，采用两个上下相对设置的上述接触式测头，包括以下步骤：

A10、测量前，通过进气接头分别给两个测头放入方形导轨导向座和导芯供气，使得导芯在方形导轨导向座中处于悬浮状态，能无摩擦地仅做垂直上下运动；

A20、当两个测头的探针下端的红宝石球接触到工件的上下表面时，则被测工件会瞬间有一个推动探针的作用力，随后探针在接触过程中处于垂直方向的力学平衡状态中，并始终保证探针端部的红宝石球与工件表面保持接触；

A30、工件和上下两个探针相对移动时，根据侧头上光栅尺的位移能够测得工件的厚度变化。