[发明专利]超精密硅片用三维磨削测力仪

说明书

技术领域

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

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

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。

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a₀长度b₀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ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。

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δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。，所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max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_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀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其中，d₀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。

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