超精密硅片用三维磨削测力仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于精密仪器加工领域，涉及到超精密硅片加工，具体涉及到一种超精密 硅片用三维磨削测力仪。
【背景技术】
[0002] 超精密磨削硅片的加工过程中，磨削力一方面直接反映了磨削振动和砂轮磨损 等磨削状态；另一方面，磨削力不仅会引起机床的变形，影响硅片加工精度，而且会导 致硅片磨削表面损伤，对硅片加工表面质量有很大的影响，特别在硅片背面磨削减薄加工 中，由于加工硅片厚度越来越薄，磨削力的变化，极易引起硅片破碎，因而，在磨削硅片过 程中在线检测磨削力动态信号，对磨床动态特性和砂轮磨削性能进行监控，并根据磨削力 对砂轮进给速度等工艺参数进行实时调整，实现控制力磨削，使磨削过程处于最佳状态， 对于提高硅片加工精度和表面质量，保证硅片加工成品率非常必要。但现有的磨削测力仪 都有各自的应用范围和使用条件，使用具有较大的局限性，国外的一些测力仪工艺要求高、 成本高，不适合广泛使用。
【发明内容】
[0003] 为了克服以上现有技术的不足，本发明提供一种超精密硅片用三维磨削测力仪， 通过在工作台与被测硅片之间设置测力仪，监测硅片磨削过程中的动态力信号，以便根据 磨削力对砂轮进给速度进行实时调整。
[0004] 本发明的技术方案是：一种超精密硅片用三维磨削测力仪，包括内轴、砂轮、三维 测力平台和传感系统信号处理器，所述被测硅片固定在三维测力平台上，砂轮固定在内轴 上磨削被测硅片，三维测力平台将加工过程中的磨削力发送给传感系统信号处理器，所述 三维测力平台包括多个三维力传感器，所述三维力传感器包括X方向电容单元组和Y方向 电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单 元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的 驱动电极和下极板的感应电极，所述电容单元模块包括由两个以上宽度％长度h的条状电 容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度k%长度h的条状电容单元组成的第二 条状电容单元组。
[0005] 超精密硅片用三维磨削测力仪的传感系统信号处理器包括信号放大器、数据采集 卡和工控机，所述三维力传感器的输出信号经信号放大器转换和放大后生成模拟信号，数 据采集卡将放大器输出的模拟信号转换为数字信号并输入工控机。所述每个条状电容单元 的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端 分别预留左差位S左和右差位δ右，b 0驱=bos+S右+ δ左，其中，b0驱为条状电容单元的驱动 电极长度，^为条状电容单元的感应电极长度。，所述差位δ&= ，且S左，其 中Cltl为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ _为最大应力值。所述梳齿 状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电 容单元之间设有电极间距a s。所述平行板面积S = M (a(l+2a s +kaj k/2，其中，M为条状电容 单元数量，K为条状电容单元的长度，a(l条状电容单元的宽度。所述第一条状电容单元组和 第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。 所述条状电容单元的宽度a() =$，其中，Cltl为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹 性介质的抗剪模量。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与传感系统信号处理 器之间分别设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。
[0006] 本发明的有益效果是：在磨削硅片过程中在线检测磨削力动态信号，对磨床动态 特性和砂轮磨削性能进行监控，并根据磨削力对砂轮进给速度等工艺参数进行实时调整， 实现控制力磨削，使磨削过程处于最佳状态，提高硅片加工精度和表面质量，保证硅片加 工成品率。另外，本发明的测力仪具有很好的静动态特性，灵敏度高，线性、重复性好，零 点漂移小，结构简单，易装配和调试，成本较低，性能稳定，各项技术指标均达到CIRP 规定的磨削测力仪标准。本发明的电容三维力传感器，有效使用平板有效面积，并且通过驱 动极板两端预留长度等方法有效解决三维力间耦合，从而使法向与切向转换都达到较高的 线性、精度与灵敏度。
【附图说明】
[0007] 图1是本发明【具体实施方式】的条状电容单元及其坐标系。
[0008] 图2是本发明【具体实施方式】的条状电容单元示意图。
[0009] 图3是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元右向偏移示意图。
[0010] 图4是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元左向偏移示意图。
[0011] 图5是本发明的【具体实施方式】的宽度为和!《^的电容对受力偏移图。
[0012] 图6是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器极板分布图。
[0013] 图7为本发明【具体实施方式】切向激励的信号流程图。
[0014] 图8为本发明的【具体实施方式】的测量装置结构图。
[0015] 其中，1硅片，2测力仪，3工作台，4砂轮，5内轴。
【具体实施方式】
[0016] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的【具体实施方式】如所涉及的各构件 的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及 操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术 方案有更完整、准确和深入的理解。
[0017] 本发明的主要思路是：本发明的磨削测力仪，利用电容式压力传感器的纵向和剪 切效应，将多个电容式压力传感器，按照一定的空间布局，构建一个三维测力平台，并与机 床工作台固定，其上安装被测工件，被测硅片吸附在测力仪上保证测试精度。砂轮磨削工件 产生磨削力，工件将磨削力传递到测力仪，测力仪感受磨削力并输出，相对于砂轮的高速 回转运动，测力仪运动形式与机床工作台一致，基本上是平移或随工作台摆动，砂轮固定 在内轴上。
[0018] 磨削测力仪与传感系统信号处理器连接，构成静动态标定系统，传感系统信号处 理器包括信号放大器、数据采集卡、工控机超精密磨床工作时，砂轮磨削硅片产生磨削力， 磨削力经磨削测力仪输出，输出信号经信号放大器转换和放大后生成模拟信号，数据采集 卡将放大器输出的模拟信号转换为数字信号。对磨削测力仪施加标准载荷并进行归一化调 节，确定磨削测力仪的各向归一化灵敏度，即磨削测力仪输出量的变化与引起此变化的输 入量的变化之比，由装在工控机中的监测软件得出轴向力F z、径向力Fx和切向力Fy的大 小，处理数据后建立磨削测力仪的"力值一一示值"标定曲线，得到测力仪的一系列静动 态性能指标。
[0019] 如图4-6为本发明压力传感器的极板结构图，一种接触式平行板三维力压力传感 器，所述传感器包括传感系统信号处理器、与传感系统信号处理器分别连接的X方向电容 单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元 模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电 容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述电容单元模块包括由两个以上宽 度％长度b ^条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka ^长度b ^条状电 容单元组成的第二条状电容单元组。所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相 同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位S&和右差位 δ右，b0驱=b0感+ δ右+ δ