专利名称：用于检查基板的表面的测量装置和测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于4企查基板的表面的测量装置，这样的测量 装置具有传感器，该传感器可通过表面定位系统以预设的间距定位 在待测量的表面上方。此外，本发明还涉及一种具有多个前述类型 的测量装置的测量系统。
背景技术：
在平面的表面检查的领域中，传感器通常以预设的间距定位在 待才企测的基板表面上。通常通过定位系统来实现定位，传感器可通 过该定位系统定位在平行于待测量的表面的平面内。因此，通过对 定位系统进4亍相应控制，例如通过回形的移动可对整个^寺测量的表 面进行扫描。为了实现高的测量速度，也设置有多个传感器，这些 传感器具有多个单一传感器，从而通过同时测量多个测量点来降低 用于乂寸应于多个单一传感器的确定的面积的测量时间。
根据待输入的测量任务的类型而使用不同的传感器。在光学检 查时，通常使用具有例如行扫描传感器或者平面传感器的摄像机。 在电容性的测量任务时，使用一个或者多个测量电极，这些测量电 才及,皮施力O交流或者直流电压。在各个测量电才及上的较小的电流被作 为测量信号，其取决于在测量电极之间或者待测量的表面的各个测 量点之间的电容。因此，例如已知一种方法，在该方法中，鉴于可能的在夹陷，可
以在制造LCD之前检查用于液晶显示器(LCD)的基板的印制导 线结构。因此，通过在测量电才及和印制导线结构的相对于测量电^L 的区域之间进行电容测量可以识别印制导线结构的不希望的短3各、 断路和断面收缩。这样的缺陷或者可以在LCD基板的继续加工之 前被修理或者可以将该LCD基板从生产过程中挑出。因此，无论 如何都可以显著降低液晶显示器的生产成本。
为了进行精确的检查，通常需要对传感器与待测量的基板表面 之间的间距进行高精度的调整和保持。但是，当待测量的基板具有 不平整的或者轻微波浪状的表面时，保持精确的间距显然是很困难 的。因此，为了测量不平整的表面必须4吏用定4立系统，该定^f立系统 不仅可以将传感器定位在平行于待测量的表面的平面中，而且也可 以垂直于该平面地定位。然而，这种垂直于4寺测量的表面的定位通 常导致测量过程緩慢和测量精度的下降。
发明内容
本发明的目地在于提出 一种测量装置，该测量装置可以实现对 即使不平整的基板表面的精确测量。此外，本发明的目的还在于提 出 一种测量系统，该测量系统可以实现对不平整的表面的特别顺利
的测量。
本发明的第一个目的通过具有独立权利要求1的特征的、用于 检查基板的表面的测量装置实现。根据本发明的测量装置包括测 量头，该测量头具有用于检测表面的传感器以及设置在传感器旁侧 的气动件。该气动件具有入口和至少一个向下取向的出口 。此夕卜， 根据本发明的测量装置还包括面定位系统，其被设置用来将测量 头姊青确地定位在基4反之上的x-y平面内；以及与入口气动耦合的压力空气生成装置，从而在利用压力空气加载气动件时测量头可以预 设的高度定位在基板上方。本发明基于这样的认识，即通过传感器的空气支承可以简单的 方式实现传感器在基々反表面上的^"确的高度调整。通过出口喷出的 空气产生气垫，测量头可以在气垫上自由地在基板表面上方滑动。因此，通过面定位系统^又确定了测量头相对于基外反的x-y位置。气 流的强度确定了气垫的高度并进而确定了测量头在基板表面上的 垂直间3巨。借助于气垫来支承测量头的显著优点在于，即使表面为波浪形 的也能以简单的方式实现传感器的自动高度匹配。该自动高度匹配 的基础在于，测量头始终以通过气垫的厚度确定的高度位于基板的 4寺测量的区i或之上。根据权利要求2,测量装置附加地具有耦合装置，其设置在面 定位系统与测量头之间。这具有这样的优点，即耳又决于各自待完成 的冲企查任务来这样地构造耦合装置，即从平行于x-y平面的测量头 的直线运动来看，测量头可以实3见相乂于于定〗立系统的确定的运动。 此外，耦合装置可以具有弹簧件，乂人而即使在定位系统的突然的运 动时也可确保传感器的柔和定位。才艮据斗又利要求3，耦合装置净皮这样地构造，即测量头可沿着垂 直于x-y平面的z方向至少在确定的移动范围内自由移动。这具有 这样的优点，即仅通过气垫就可确定传感器在基板上的高度。因此， 通过对压力空气生成装置进^f于相应控制可以自由地确定传感器在 基板上的高度。冲艮据升又利要求4,耦合装置4皮这样地构造，即至少在确定的角 度范围内测量头可以围绕轴线自由倾杀牛。在此，该轴线平4亍于x-y平面取向。优选地，耦合装置可以实现围绕每一条平行于基板表面 的任意轴线倾斜，从而使传感器通过相应的倾斜调整也能与基板表 面的短波浪的不平整性相匹配。在此需要注意，耦合装置通常具有多个耦合件，这些耦合件分 别向测量头作用保持力。优选地，耦合件被这样地彼此设置，即对 应于各个保持力的力线在测量头的重心中相交。这使得即使在测量 头的突然直线移动时也不会有^L矩作用在测量头上，^v而即^f吏在传 感器的高动态的移动时也以有利的方式避免了测量头的不希望的 倾斜。根据权利要求5，耦合装置包括上耦合件，其与气动件刚性 地连接；以及下耦合件，其通过铰接的悬置装置与上耦合件连接。 在此，上耦合件通过定位系统沿着x方向和y方向定位。上耦合件 沿着z方向的定位通过空气支承确定，从而使测量头进而还有传感 器始终保持在相对于待测量的基板表面的确定间距中。根据权利要求6，铰接的悬置装置包括至少两个杆，所述杆的 上端部与上耦合件以及所述杆的下端部与下耦合件分别在^求形件 中连接。这种类型的悬置装置具有优点，即在相应地选择杆长度并 且对5求形4交冲妄件进4亍适当的空间布置时可以实3见围绕虚拟^走转轴 线的倾斜移动，该旋转轴线直接地位于传感器的下侧。通过这种方 式确保传感器即使在倾斜时也始终以一定的间距处于待测量的基 氺反表面的上方。在此需要注意的是，在铰接式悬置装置具有三个杆时可以实现 围绕任意轴线的倾斜，该轴线平行于x-y平面或者平行于待测量的 基板表面取向。当基板表面具有不规则的波浪时，也可以以有利的 方式实现在传感器与基才反表面之间的最佳间距。根据权利要求7，气动件围绕传感器设置，该气动件优选地具 有带有相应的入口和出口的空气通道。这具有这样的优点，即沿着 z方向在测量头上施加均匀的力作用，>^人而不会通过气垫产生可能 触发测量头倾杀牛的4a矩。根据权利要求8，至少一个出口是空气喷嘴，该空气喷嘴这样 地构造，即喷出的空气的速度达到至少接近音速。这样高的流速度 可以这样地实现，即空气喷嘴具有流动4几理有利的逐渐收缩的喷嘴 截面，其一方面导致这样高的喷出速度并且另一方面导致可代替的 气动流动阻力。这样高的喷出速度具有优点，即，即使在测量头在待测量的基 板表面上的高度位置出现可能不希望的变化时，在气动件中的压力 比也仅受到不重要的压力比。尤其是在气动件的内部在任何情况下 都不会发生空气压力的突然下降。通过这种方式确保可以不用不希 望地取下或》文上传感器头，/人而确4呆测量头的特别稳定的高度定 位。根据权利要求9，传感器具有光学的、电容的和/或感应式的传 感器件。因此，具有上述的气动高度定位的测量装置可以利用任意 的传感器类型来实现，而不需要特别的改装。本发明的第二个目的通过具有独立4又利要求10的特4正的、用 于检查基板的表面的测量系统来实现。根据本发明的测量系统包括 至少两个根据权利要求1至9中任一项所述的测量装置。在此，这 些测量装置彼此这样地i殳置，即各个传感器沿着测量行设置。本发明基于这样的认识，即可以通过多个测量头的限定彼此串 连以简单的方式来实现长的线状传感器。该线状传感器靠紧不平整的或者波浪形的基板表面，从而以到待测量的基板表面的预设的间 距自动地定位每个传感器。在此需要注意的是，本发明当然也包括一个测量系统，在该测 量系统中，i殳置有二维光斥册形式的多个测量头。通过该方式实现面 传感器，该面传感器同样如前述的线状传感器一样这样地靠紧在不 平整的基板表面上，即在预设的高度位置中自动地调整每个传感器。
由接下来对当前的优选实施例的示意性描述得到本发明的其^M尤点和特4正。在附图中以示意图示出图1是在俯一见图和两个不同的截面一见图中的气动安置的测量头，图2是在俯^L图中的气动安置的测量装置，图3a是在气动安置的上耦合板上的传感器的悬置装置，图3b是在图3a中示出的悬置装置的偏移，在该偏移时，传感 器围绕虚拟的旋转轴线倾斜，以及图4是具有^成一个测量^f亍的四个测量头的测量系统。
具体实施方式
在此需要iJL明，在图中相同的或者4皮此相应的组件的参考标号 4又以其第 一个数字和/或通过附加的字母来区分。图1以三个不同的视图示出根据本发明的实施例的气动安置的 测量头110。左下方是测量头的俯一见图，其中，观察方向沿着z轴 线延伸。上面的部分示出了在平行于x-y平面的横截面中的测量头。 右下方是在平4亍于y-z平面的才黄截面中的测量头。在此，x轴线、y 轴线和z轴线构成直角坐标系，在该直角坐标系中，轴线分别垂直 于通过另外的两条轴线撑开构成的平面。测量头110具有传感器111,该传感器可以是4壬意的传感器， 诸如光学的、电容的或者感应式的传感器。传感器111由气动件112 围绕，气动件形成空气通道113。气动件112在其上侧具有两个入 口 115，这些入口通过压力空气管线与压力空气生成装置(例如泵) 气动耦合。出于清晰的原因，在图1中未示出压力空气管线和压力 空气生成装置。在气动件112的下侧形成有多个喷嘴类型的出口 ，这些出口在 测量头110和待测量的基^反表面之间形成气流195。气流195生成 气垫，测量头110在气垫上以预i殳的间-巨在基才反190的上方滑动。 因此，在测量头110的下侧和基板190之间形成气隙196。气隙196 的厚度进而在测量头110和基板190之间的间距取决于气流195的 强度。测量头110与定位系统的耦合通过弹簧件130实现。弹簧件130这才羊;也构造，即(a)在x方向和y方向上该弹簧^f牛不允"i午定^f立系 统与测量头110之间的相对移动并且(b )在z方向上定位系统与测 量头110之间是+〉动的连4妄。该^^动连冲妾可以实玉见至少在由通过气垫的厚度预i殳的零位置开始的确定的偏转范围内定位系统与测量 头110之间自由的相对移动。因此，弹簧件130确保测量头通过在 图1中未示出的定4立系统<又在x-y平面中津奇确i也定4立。通过^f定4立 系统进行相应控制，每个测量点都可以在基板190的上面出发。此外，测量头110与定位系统通过弹簧4牛130的津禺合的特4正在 于，测量头110可以相对于定位系统倾杀牛。该倾4+可以围绕x轴线、 围绕y轴线或者围绕在x-y平面中的4壬意轴线进4亍。围绕x轴线和 y轴线的倾杀牛方案在图1中分别通过双箭头示出。因此，可以确定测量头的原理上可能的总共六个运动自由度、 三个沿着轴线x、 y、 z的直线自由度以及三个围绕轴线x、 y、 z的 旋转自由度，^又排除x平移和y平移以及通过在定位系统和测量头 110之间的刚性耦合的围绕z轴线的旋转。此外，如在右下方的才黄截面图中示出的，这样地才是供弹簧件 130,即定位系统仅在测量头110上作用保持力，其力线沿着弹簧 件130的各个区段的纵向延长部来延伸。在此，弹簧件130与测量 头110这样地连接，即从不同侧作用的保持力的力线在测量头110 的重心处相交。该重心通过力向量G的原点确定，该力向量是测量 头110在z方向上作用的重力。力线在测量头110的重心中的相遇 具有这样的优点，即，即使在测量头110进行猛烈的平移移动时也 不会有扭矩作用到测量头上，从而以有利的方式可靠地避免了测量 头的不希望的倾斜。图2示出气动安置的测量装置的俯视图，该测量装置具有在图 l中示出的测量头110,其J见在以标号210表示。测量头210(其还 具有传感器211和带有两个入口 215的气动件212 )通过弹簧件230 固定在定^f立系统220上。这种类型的固定和鉴于测量头210的移动 通过弹簧件230保持的自由度在之前已经参考图1详细地描述过了。因此，可通过对定位系统220进4亍相应4空制4吏测量头210在平 行于x-y平面的确定的工作区域内自由定位。为此目的，定位系统 220在两个相对侧上具有x导向件221,在该导向件上弹簧件230 可通过未示出的驱动装置沿着x方向移动。测量头210可沿着弹簧 件230借助于同样未示出的驱动装置沿着y方向移动。为了提供在测量头210与位于其下方的基板之间产生气垫所需 的压力空气，设置有压力空气发生器250。根据在此描述的实施例， 压力空气发生器250被固定在定位系统220的框架上。为了降低传 递到测量头210上的振动，在压力空气发生器250和定位系统220 之间设置有减震材料(未示出)。气动件212通过柔性的压力空气 管线251供以压力空气。根据本发明的另外的实施例，图3a示出了传感器311的有利 的悬置装置，该悬置装置可以使传感器311实现围绕虚拟的旋转点 VP进行自由的倾斜运动。悬置装置包括上耦合4反331 ，其借助于未 示出的面定位系统定位在工作区i或中，该工作区i或平4亍于基4反390 的待测量的表面。该上耦合4反331可以沿着z方向至少在确定的偏 转区域中自由地移动。借此，传感器311的高度位置或者上耦合才反 331的高度位置可以通过气垫的高度来确定，该气垫形成在基板390 与相邻于传感器390设置的气动件(未示出)之间。此外，悬置装置还包4舌下耦合才反333,其与传感器311连4妄。 两个津禺合—反331详口 333通过两个冈'J寸生的才干332a和332b 4皮jt匕连4妄， 这些杆的端部分别安置在球形铰接件334中。两个球形铰接件334 位于上耦合板331的下侧。两个球形铰接件334位于下耦合板333的上侧。在此需要注意的是，也可以不用下耦合板333来实现悬置装置。 在这种情况下，两个下球形4交接件334直4妄位于传感器311上。在图3a示出的情况(在该情况中传感器位于其原始位置)中， 两个刚性的杆332a和332b彼此相对于对称轴338对称地设置。两 个下球形铰接件334以间距1彼此相对设置。传感器311与装设到 传感器311上的下耦合板333 —起沿着z方向具有高度d。在图3b中示意性地示出了这样一种情况，在该情况下，传感 器311 (未示出)从其原始位置中倾斜出来。在此，悬置装置根据 高度d尤其相对于上球形铰接件334的位置、相对于两个杆332a 和332b的长度以及相对于间距1这样地确定尺寸，即传感器围绕虚 拟的旋转点倾斜。通过该方式可以确保，即传感器311即使在波浪 形的基^反表面时也一直最佳、也就是说以预i殳的间距紧靠在基板表 面上。在此应该指出，才艮据在图3a和图3b中的两个二维的图示^U又 示出了传感器311的悬置装置的原理性的工作方式。为了确保围绕 任意的虚拟旋转轴线(该旋转轴线平行于待测量的基板表面并进而 平4亍于x-y平面耳又向耳又向)的自由倾杀+运动，可以4吏用具有三个刚 性的杆的悬置装置。在空间上三个刚性的杆优选同样围绕传感器悬 置装置的对称轴线338对称地设置。图4示出了具有排成一个测量行的四个测量头410a、 410b、 410c和410d的顶'J量系纟充。观寸量头410a、 410b、 410c和410d分另廿配属有一个定^f立系统，相应的测量头可利用该定4立系统定4立在x-y 平面内。可选的并且特别有利的是，测量头410a、 410b、 410c和 410d中的至少一些沿着x方向以及沿着y方向4皮此固定i也连接。测 量头410a、 410b、 410c和410d在所有情况下都可以^波此不相依赖 地沿着z方向移动并且可分别围绕虚拟的4t转点在测量头410a、 410b、 410c和410d的下侧自由倾斜。由于测量头410a、 410b、 410c和410d在基板490 (该基板具 有在图4中过度夸张地示出的波浪)上的的未示出的空气支承，以 及由于可自由倾杀牛寸生，各个测量头410a、 410b、 410c和410d分另'J 最佳地靠紧在波浪状的基板表面上。为了对此加以说明，在靠紧波 浪形的基板表面之前示出了测量头的中轴线的原始位置并配有标 号416a、 416b、 416c和416d。在靠紧波浪形的基外反表面之后的测 量头的中津由纟戋的最终4立置商己有才示号417a、 417b、 417c和417d。在图4示出的状态中，测量头410a和410b与其原始位置相比 在逆时4十方向上倾杀牛。测量头410c不倾杀牛并且测量头410d与其原 始位置相比在顺时4十方向上倾4牛。参考标号100 测量装置110 测量头111 传感器112 气动件113 空气通道114 出口/喷嘴115 入口 130 弹簧件 190 基板195 气流196 气隙210 测量头211 传感器212 气动件 215 入口220 定位系统221 x导向件 230 弹簧件250 压力空气发生器251 压力空气管线(柔性的)311传感器331上耦合板332a刚寸生才干332b刚'l"生才干333下耦合板334球形铰接件338对称轴线390基板VP虚拟魂:4争点1在下球形铰接件之间的间距d传感器加下耦合板的厚度410a， b，c，d 测量头416a, b，c，d 中轴线的原始位置417a, b，c，d 中轴线的最终位置490基板(强烈的弯曲)。
权利要求
1.一种用于检查基板(190)的表面的测量装置，具有测量头(110)，所述测量头具有传感器(111)，用于检测所述表面；在所述传感器(111)旁侧设置的气动件(112)，所述气动件包括入口(115)和至少一个向下取向的出口(114)；面定位系统(220)，设置用来将测量头(110、210)精确地定位在所述基板(190)之上的x-y平面内；以及压力空气生成装置(250)，所述压力空气生成装置与入口(115、215)气动地耦合，从而在用压力空气加载气动件(112、212)时，所述测量头(110、210)可以预设的高度定位在所述基板(190)上方。
2. 才艮据权利要求1所述的测量装置，其中，附加地具有耦合装置(130、 230 ),所述耦合装置"i殳置在所述面定位系统(220)与 所述测量头(110、 210)之间。
3. 根据权利要求2所述的测量装置，其中，所述耦合装置(130 ) 这才羊;也构造，即所述测量头(110)可沿着垂直于x-y平面的 z方向至少在确定的移动范围内自由移动。
4. 根据权利要求2至3中任一项所述的测量装置，其中，所述耦 合装置(130)这样地构造，即至少在确定的角度范围内所述 测量头(110)可围绕轴线(VP)自由倾杀+，所述轴线(VP) 平4亍于x-y平面耳又向。
5. 根据权利要求4所述的测量装置，其中，所述耦合装置具有上耦合件(331)，所述上耦合件与所述气动件刚性地连接；以 及下耦合件(333 ),所述下耦合件通过铰接的悬置装置与所述上 津禺合4牛(331 )连4妄。
6. 根据权利要求5所述的测量装置，其中，所述铰接的悬置装置 包括至少两个杆(332a、 332b)，所述杆的上端部与所述上耦 合件(331 )以及所述杆的下端部与所述下耦合件(333 )分别 在J求形件(334 )中连接。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其中，所述气 动件(112)围绕所述传感器(111 )设置。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的测量装置，其中，所述至 少一个出口 (114)是空气喷嘴，所述空气喷嘴被这样地构造， 即喷出的空气的速度达到至少接近音速。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的测量装置，其中，所述传 感器(111)具有光学的、电容的和/或感应式的传感器件。
10. —种用于冲企查基一反的表面的测量系统，具有至少两个根据权利要求1至9中任一项所述的测量装置(100 ), 所述测量装置这样地4皮此i殳置，即各个传感器沿着测量4iS殳置。
全文摘要
本发明涉及一种用于通过测量头(110)来检查基板(190)的表面的测量装置，该测量头具有用于检测表面的传感器(111)和设置在传感器旁侧的气动件(112)，该气动件包括入口(115)和至少一个向下取向的出口(114)。此外，测量装置还具有面定位系统(220)，其被设置用来将测量头(110、210)精确地定位在基板(190)之上的x-y平面内；以及压力空气生成装置(250)，其与入口(215)气动地耦合，从而在用压力空气加载气动件(112、212)时，测量头(110、210)可以预设的高度定位在基板(190)上方并且在气垫上滑动。此外，本发明还涉及一种具有多个前述类型的测量装置的测量系统，该系统这样地彼此相对设置，即各个传感器形成测量行。
文档编号G01B13/00GK101273245SQ200680035452
公开日2008年9月24日 申请日期2006年9月19日 优先权日2005年9月27日
发明者弗朗茨·德罗布纳, 特奥多罗·龙鲍尔 申请人:西门子公司