硅片磨削力动态信号检测装置的制造方法
【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，具体涉及到一种硅片磨 削力动态信号检测装置。
【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，本发明提供一种硅片磨削力动态信号检测装置， 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：一种硅片磨削力动态信号检测装置，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圆环电容单元组和条状电容 单元组，所述条状电容单元组设置在圆环电容单元组外基板的四角，圆环电容单元组包括 两对以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单 元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方 向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，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，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上 极板的驱动电极和下极板的感应电极。
[0005] 本发明硅片磨削力动态信号检测装置，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。所述每个 圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极 和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的 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，bg为条状电容单元的感应电极长度。所述条状电容单元的左
为平行板的长度，as #为相邻两条状电容单元之间的电极间距，％条状电容单元的宽度。所 述同心圆环电容单元的宽度1^和条状电容单元的宽度％相等；条状电容单元电极间距as
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。所述圆环电容单元组和条状 电容单元组的驱动电极通过一个引出线与传感系统信号处理器连接，所述圆环电容单元组 的每个圆环电容单元的感应电极单独引线与传感系统信号处理器连接，所述X方向差动电 容单元组和Y方向差动电容单元组的电容单元模块感应电极分别通过一根引出线与传感 系统信号处理器连接。所述圆环电容单元、电容单元模块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。本发明的传感器能够同时测量法向力和切向力，灵敏度高，极板利 用效率高，整个圆环电容单元组都对法向力作出贡献，并且具有较好的动态性能。
【附图说明】
[0007] 图1是本发明的【具体实施方式】的同心圆环偏移错位面积分析图。
[0008] 图2是本发明的【具体实施方式】的为外同心圆环错位对外径圆分析图。
[0009] 图3是本发明的【具体实施方式】的平行板电容的平面设计图。
[0010] 图4是本发明的【具体实施方式】的驱动电极的结构图。
[0011] 图5是本发明的【具体实施方式】的平板电容板的直角坐标系。
[0012] 图6是本发明的【具体实施方式】的两组圆环电容组结构图。
[0013]图7是本发明的【具体实施方式】的差动条状电容单元的初始错位图。
[0014]图8是本发明的【具体实施方式】的差动条状电容单元受力后偏移图。
[0015] 图9是本发明的【具体实施方式】的单元电容对的信号差动示意图。
[0016] 图10是本发明的【具体实施方式】的磨削力测量装置结构图。
[0017] 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】
[0018] 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。
[0019] 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。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。
[0020] 磨削测力仪与电荷放大器、数据采集卡、工控机依次相连构成静动态标定系统， 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，输出力信号经 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Fz、径向力^和切向力Fy的大小，处理数据后建立磨削测力仪的"力 值 不值"标定曲线，得到测力仪的一系列静动态性能指标。
[0021] 本发明的传感器包括圆环电容单元组和条状电容单元组，所述圆环电容单元组用 于测切向力和法向力的大小，所条状电容单元组用于测量切向力的方向，所述条状电容单 元组设置在基板圆环电容单元组外的四角。圆环电容单元组包括两组以上圆环电容单元 对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电 容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包 括两个以上相互形成差动的电容单元模块，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，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下 极板的感应电极。所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每 个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应 电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位8&和右差位SfijI3cis=k + ，其中为条状电容单元的驱动电极长度，1^3为条状电容单元的感应电极长
邻两条状电容单元之间的电极间距，％条状电容单元的宽度。所述同心圆环电容单元的宽 度1^和条状电容单元的宽度％相等；条状电容单元电极间距as #和圆环电容单元电极间
模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过 一个引出线与传感系