专利名称：相位式探针感测结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种相位式探针感测结构，且特别是有关于一种在一预定模态下 共振的相位式探针感测结构。糖—丄、 胃京纹不随着日常科技用品越做越小，微小组件尺寸量测需求逐年增加，这些微小组 件包括微透镜、生医微流道、高效率汽车燃油喷嘴、光通讯光纤接头与大深宽比微机电组件制程结构然而，现有量测技术的量测准确度是无法满足这些组件的 三维量测需求。扫瞄探针显微镜(SPM)虽然具有纳米等级的分辨率，但量測范围 长宽高为为100微米(,)xlOO微米(jttm)x5微米Otm),其待测试片往往须具备平坦 的表面，因此扫瞄探针显微镜并非真正的三维量测；虽然利用公分等级大行程的 二维纳米平台搭载扫瞄探针显微镜探针，可以扩大扫瞄探针显微镜的量测范围， 然而扫瞄探针显微镜探针近场工作条件与扩大量测范围所产生的过大数据量，却 使得所述的方法不切实际；光学式非接触探头在髙深宽比组件量测上多不可行， 尤其是对于组件侧壁的量测或液晶显示器制程中的印刷电路板雷射钻孔的孔洞側 壁轮廓量测；传统三次元量测技术的准确度也不够高(仅在l微米左右)。然而, 随着生活日用品日益轻薄短小化，包括机械组件、微机电组件、光通讯组件与徼 加工精细组件的应用急速增加，对于厘米等级的微机电组件、或是髙深宽比的微 加工组件的三维量测，目前均无适当的仪器可供使用。探针感测装置的关键问题在于感测系统的设计与制造。探针接触触发(touch trigger)的机制可大致区分为两大类 一类是间接式，也即将探測球接触待测物的 能量通过探针柄(probe shank)的形变传递至探针系统(probing system)的感测部位； 另--类是直接式，即在探测球位置产生触发讯号。这两类接触触发机制的差异在 于，间接式接触触发方式其探针柄必须具备足够大的劲度(stiffiiess)，方可将探针 球与待测物接触点的接触作用力(能量)传递至探针系统的感测部位而产生足够大 的变形，此一条件限制了探针柄的最小直径，同时限制了待测结构的最小尺寸以及量测的应用范围。图1所示为美国北卡罗莱纳中央大学(NCCU)所设计出的--感测技术，其是使 用一悬臂梁连接--探针，并分别以压电致动器与压电传感器连接至所述的悬臂梁， 压电致动器会使所述的悬臂粱与探针不断振动，压电传感器则接收振动讯号，待 接触待测物后，压电传感器便会感测到讯号的相位改变，进而判定接触到待测物。 然而在此种结构下，会存在有下列缺点-1. 悬臂梁体积大，使得感测结构无法微型化。2. 无法连接较小的探针柄。3. 量測力量大，易损伤待测物。4. 受限于探针振动方向，故有着各向异性(Anisotropy), 二維量测时会存有误。因此，所需要的是一种可微型化的感测结构，其是可进行精密量测，且不受 限于量测维度。发明内容本发明的主要目的是提供一种相位式探针感测结构，其是利用薄膜结构来进 行致动与感测，并使探针柄与感测结构在一预定模态下振动，以达成具有高量测 灵敏度的目的。为达上述目的，本发明是提供一种相位式探针感測结构，其是与一探针相连 接，所述的相位式探针感测结构包含 一致动单元；与所述的致动单元相连接的 一基材以及与所述的基材相连接的一感测单元；其中，所述的致动单元是产生 一预定频率的振动，使所述的相位式探针感测结构在一预定模态下振动。较佳地，所述的基材是一薄膜。较佳地，所述的薄膜是由溶胶-凝胶(Sol-Gel)制程所制成。 较佳地，所述的薄膜是呈圆盘状。 较佳地，所述的圆盘状薄膜的直径为7毫米(mm)。 较佳地，所述的基材的厚度是小于100微米0mi)。 较佳地，所述的基材是一直梁(prismaticbeam)。较佳地，所述的基材是复数个彼此连接的直梁，所述的复数个直梁中的任两 相邻直梁的夹角均相等。较佳地，所述的基材是由硅(smcoii)所制成。 较佳地，所述的致动单元是一压电致动器。 较佳地，所述的压电致动器是一压电薄膜。较佳地，所述的压电致动器是由压电陶瓷(PZT)所制成。 较佳地，所述的压电致动器是由高分子压电材料(PVF2)所制成。 较佳地，所述的压电致动器是由氧化锌(ZnO)所制成。 较佳地，所述的探针是连接在所述的基材振动时的节点附近。 较佳地，所述的感测单元是一压电传感器。 较佳地，所述的压电传感器是一压电薄膜。 较佳地，所述的压电传感器是一压阻薄膜。较佳地，所述的相位式探针感测结构的振动位移方向是平行于所述的探针的 长轴方向。较佳地，所述的探针更包括一探针柄以及一探測头，所述的探针柄的一端是 与所述的基材连接而另一端是所述的探测头连接。 较佳地，所述的探针柄以及探测头是一体成形。 较佳地，所述的探针是与所述的基材相连接。与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是如此一来，根据本发明所制 作的相位式探针感測结构，是可提高探针的量测灵敏度，同时大幅降低量测时探 针对待测物的施力大小，有效改良背景技术的缺失。
图1是背景技术中的感测装置示意圉图2是本发明相位式探针感测结构的立体图图3是本发明相位式探针感测结构的剖面图；图4是本发明相位式探针感测结构的操作示意图图5是本发明相位式探针感测结构的一变化实施例；图6是本发明相位式探针感测结构的另一变化实施例;图7A是本发明中的基材形状的一实臃例；图7B是本发明中的基材形状的另一实施例；以及图7C是本发明中的基材形状的又--实施例。附图标记说明l-相位式探针感测结构；2-探针3-待测物；lO-致动单元； 12-基材；14-感测单元；20-探针柄；22-探测头；lOO-传导线；140-传导线。
具体实施方式
请参照图2与图3,其是分别为本发明相位式探针感测结构的立体与剖面图。 所述的相位式探针感测结构1是由一致动单元10、一基材12以及一感測单元14 所组成，且所述的基材12更连接一探针2，所述的探针2是包括一探针柄20与 —探测头22,所述的探针柄20的一端是与所述的基材12连接，另一端则与所述 的探测头22连接。在结构上，在本发明较佳实施例中，所述的致动单元10是一 压电致动薄膜，所述的感测单元14则为一压电感测薄膜，所述的基材12也为一 薄膜化低耗损材料，例如硅晶圆，所述的致动单元10与所述的感测单元14是分 别贴附在所述的基材12的两侧。当量測时，使用者是以特定频率的电压作动所述的致动单元IO，所述的致动 单元IO会产生-预定频率的振动并带动整个相位式探针感测结构1振动然后， 再调整所述的致动单元IO的振动频率，如此便能在一预定振动频率(较佳为接近 共振频率的模态，如图4所示)下操作整个相位式探针感測结构1:进而对待测物 3进行量測。再请参照图4，其是本发明相位式探针感測结构的操作示意图。其中当作动 所述的相位式探针感测结构1时，所述的相位式探针感测结构1较佳是在一预定 模态下振动，并使所述的探针2处在节点位置(按此处所指的节点位置是"在节 点附近"，而并非指位于节点位置上)；在此种操作模态下，探针2可获得较佳 的灵敏度，因此无需大的施力接触待测物3即可进行量测。再请参照图5与图6，其是分别为本发明相位式探针感测结构的两变化实施 例。在图5中，所述的致动单元10与所述的感测单元14是分别贴附在所述的基 材12的两側部分位置。也即所述的致动单元IO只要能致动所述的基材12，使所 述的基材12带动探针2振动即可，并非限于压电薄膜；而所述的感測单元14只 要能接收到基材12振动相位是否有改变即可，也非仅局限于压电薄膜。类似地， 所述的致动单元10也可凭借一传导线100连接并将振动能量传至基材12，而所 述的感测单元"也可凭借-*传导线140连接至所述的基材12，并进行振动相位的接收，如图6所示。图7A至图7C是本发明相位式探针感测结构的基材形状的多种实施例(为简 化图式，致动单元与感测单元是予以省略)。在图7A中，所述的基材12是一直 梁(prisinaticbearo)，探针2则连接在所述的基材12的中心位置。在图7B中，所 述的基材12是两根彼此连接交会的直梁，且所述的直梁中的任两相邻夹角均相等 (也即所述的基材12为一对称图形)，探针2则连接在所述的基材12的中心位 置。在图7C中，所述的基材12则为一轮毂状圆环，中央连接有复数根直梁，探 针2也连接在所述的基材12的中心位置。以上变化仅用在示例而非限制，类似变 化在此将不再一一赘述。在本发明中，所述的薄膜基材是可由溶胶-凝胶(Sol-Gel)制程所制成。且所述 的薄膜基材是对称的形状，例如直梁状、圆盘状或轮毂状。当所述的薄膜基材为 圆盘状时，其直径较佳是7毫米(mm),且厚度约在数十微米Ottn),—般是小于100 微米(pm)。所述的致动单元是可为一压电致动器，例如压电薄膜且所述的致动 单元可由压电陶瓷(PZT)、高分子压电材料(PVF2)或氧化锌(ZnO)所制成。同样地, 所述的感测单元是可为一压电传感器或压阻材料，例如压电薄膜或压阻薄膜；当 然，所述的致动单元和感测单元也非仅局限于上述物品，凡只要能达到本发明的 技术手段者，都在本发明的权利范围内，在此不再赘述。在实施时，所述的探针是连接在所述的基材振动时的节点位置附近以获得最 佳效果。当然，所述的探针并非一定要连接在所述的节点位置附近，其只要能与 所述的基材连接而作为接收外界讯号(如与待测物接触)的桥梁即可。又，所述 的相位式探针感测结构的振动位移方向是较佳平行于所述的探针的长轴方向，如 此可精确进行量测，减少各向异性(Anisotr叩y)的问题。以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员 理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化 或等效，但都将落入本发明的权利要求可限定的范围之内。
权利要求
1. 一种相位式探针感测结构，其是与一探针相连接，其特征在于所述的相位式探针感测结构包含一致动单元；一基材，其是与所述的致动单元相连接；以及一感测单元，其是与所述的基材相连接；其中，所述的致动单元是使所述的相位式探针感测结构产生一预定频率的振动。
2. 根据权利要求1所述的相位式探针感測结构，其特征在于所述的基材是 —薄膜。
3. 根据权利要求1所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的基材是 呈圆盘状。
4. 根据权利要求3所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的基材是 一薄膜，且所述的圆盘状薄膜的直径为7毫米。
5. 根据权利要求1所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的基材的 厚度是小于100微米。
6. 根据权利要求1所述的相位式探针感測结构，其特征在于所述的基材是 一直梁。
7. 根据权利要求1所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的基材是 复数个彼此连接的直梁，所述的复数个直粱中的任两相邻直梁的夹角均相等。
8. 根据权利要求1所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的致动单 元是一压电致动器。
9. 根据权利要求8所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的压电致 动器是一压电薄膜。
10. 根据权利要求8所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的压电致 动器是由压电陶瓷所制成。
11. 根据权利要求8所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的压电致 动器是由高分子压电材料所制成。
12. 根据权利要求8所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的压电致 动器是由氧化锌所制成。
13. 根据权利要求1所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的感测单 元是一压电传感器。
14. 如权利要求第13项所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的压 电传感器是一压电薄膜。
15. 如权利要求第13项所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的压 电传感器是一压阻薄膜。
16. 根据权利要求1所述的相位式探针感测结构，其特征在于所述的相位式 探针感测结构的振动位移方向是平行于所述的探针的长轴方向。
全文摘要
本发明是一种相位式探针感测结构，其是与一探针相连接，所述的相位式探针感测结构包含一致动单元；与所述的致动单元相连接的一基材；以及与所述的基材相连接的一感测单元；其中，所述的致动单元是产生一定频率的振动，使所述的相位式探针感测结构共振在一预定模态；如此，本发明的相位式探针感测结构是能提高探针的量测灵敏度，同时大幅降低量测时探针对待测物的施力大小，有效解决现有技术的缺点。
文档编号G01B7/008GK101226047SQ20071000093
公开日2008年7月23日 申请日期2007年1月15日 优先权日2007年1月15日
发明者吴乾埼, 林志明, 翁汉甫, 许正治 申请人:财团法人工业技术研究院