1mm，k = 1. 5时，从而可以求出Μ。
[0070] 为了实现^和τ y之间切向响应不相互产生影响，条状电容单元的驱动电极长 度两端预留差位Sci，因此底+2· δ ^，其中在两端长度预留差位理论上应保证
故在工艺上应保 证 b0 驱 _b0底^ 0· Olmm0
[0071] 为了实现Tjp τ y不对法向电容响应不产生任何影响，宽度为a(l和!《^的条状电 容单元构成一对电容单元对与C k)进行公示推算消除相互之间的影响。保证^在I、 III象限电容单元产生对τχ的电容响应，而在II、IV象限电容单元则产生对τ y的电容响应， 以保证四个象限中的电容单元在^和τ y切向激励下能产生两组差动电容对。这样在计 算法向电容输出响应时，保证TjP τ y不对法向电容响应产生任何影响。
[0072] (2)法向应力和切向力的计算
[0073] 设图6中宽度为的条状电容单元在受到切向力τ χ，产生一个切向位移dx后的 输出电容值为C1，宽度为k%的条状电容单元在受到切向力τ χ，产生一个切向位移dx后的 输出电容值为C2，则有：
If (17)代入上式，可以得到：
[0085] 上式中，无论是法向激励Fn或切向激励Fy均不对0 ,产生影响。即自动消除了 〇 n 和^对τ χ的总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符号的 电容变化都自动消除。而FjPF j^ 〇 η的干扰可通过上层电极在Idci方向增加几何长度2 δ。 消除。同理可以求出FTy。
[0086] (4)主要材料选择及其特性参数
[0087] 梳齿状平行板电容器的极板距Cltl= 0. 1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均 为用失蜡铸造法充填的PDMS (聚二甲基硅氧烷）超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为 杨氏模量E = 6. 2MPa，而其抗剪弹性模量为G = 4. IMPa，介质极化时相对介电常数ε γ = 2. 5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量Ew= 103GPa。故电容器内部介质在应力状态 下的变形远大于极板的变形。
[0088] (5)电极引线设计
[0089] 无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都 是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个第一条状电容单元组和第二条 状电容单元组的感应电极则需用各自独立的引出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚 从平面封装的侧面引出，四个感应电极是指X方向宽度为％的感应电极和宽度为ka ^的感 应电极，以及Y方向宽度为Btl的感应电极和宽度为Icatl的感应电极，以便整个组件顶部与底 部外表面能方便地与测量对象接触。本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型 三维力敏感电容组合的设计，在IOX IOmm2的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较 均匀的传递应力。文中四个单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外 力只有1个，电容响应却有4个，整个电极板都对求Fn做出贡献，同时将两对电容组合组成 系统，又可获得FjP F y的信息，从而完整描述一个三维力。
[0090] 本发明磨削力测量装置具有刚度高、线性好、灵敏度高、迟滞小、固有频率高等优 点，非常适用于各种动态力的测量，将该测量装置应用于硅片超精密磨床，能够实时准确 地检测硅片磨削过程中三个方向磨削力的变化，实现磨削过程的监控，提高加工过程的可 靠性和生产效率。
[0091] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式 的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改 进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发 明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种超精密硅片用三维磨削测力仪，其特征在于，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Idci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Icatl长度Idci的条状电容单元组成的第二条状电容单 元组。2. 根据权利要求1所述的超精密硅片用三维磨削测力仪，其特征在于，所述传感系统 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。3. 根据权利要求1所述的超精密硅片用三维磨削测力仪，其特征在于，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S右，b0驱=boig+S右+S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。4. 根据权利要求3所述的超精密硅片用三维磨削测力仪，其特征在于，所述差位Ss =最大应力值。5. 根据权利要求1所述的超精密硅片用三维磨削测力仪，其特征在于，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as。6. 根据权利要求5所述的超精密硅片用三维磨削测力仪，其特征在于，所述平行板面 积S=Mbc^ZaJkaci)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。7. 根据权利要求2所述的超精密硅片用三维磨削测力仪，其特征在于，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。8. 根据权利要求2所述的超精密硅片用三维磨削测力仪，其特征在于，所述条状电容模量。9. 根据权利要求2所述的超精密硅片用三维磨削测力仪，其特征在于，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。
【专利摘要】本发明涉及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X方向电容单元组和Y方向电容单元组，电容单元组是由至少两个条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，电容单元组包括由宽度a0长度b0条形电容单元组成的第一条形电容单元模块和宽度ka0长度b0条形电容单元组成的第二条形电容单元模块。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。
【IPC分类】B24B49/16
【公开号】CN104959914
【申请号】CN201510459535
【发明人】王军, 李小牛, 端黎明
【申请人】芜湖科创生产力促进中心有限责任公司
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年7月28日