相位式探針感測結構的製作方法
2023-10-24 06:39:07
專利名稱：相位式探針感測結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種相位式探針感測結構，且特別是有關於一種在一預定模態下 共振的相位式探針感測結構。糖—丄、 胃京紋不隨著日常科技用品越做越小，微小組件尺寸量測需求逐年增加，這些微小組 件包括微透鏡、生醫微流道、高效率汽車燃油噴嘴、光通訊光纖接頭與大深寬比微機電組件製程結構然而，現有量測技術的量測準確度是無法滿足這些組件的 三維量測需求。掃瞄探針顯微鏡(SPM)雖然具有納米等級的解析度，但量測範圍 長寬高為為100微米(,)xlOO微米(jttm)x5微米Otm),其待測試片往往須具備平坦 的表面，因此掃瞄探針顯微鏡並非真正的三維量測；雖然利用公分等級大行程的 二維納米平臺搭載掃瞄探針顯微鏡探針，可以擴大掃瞄探針顯微鏡的量測範圍， 然而掃瞄探針顯微鏡探針近場工作條件與擴大量測範圍所產生的過大數據量，卻 使得所述的方法不切實際；光學式非接觸探頭在髙深寬比組件量測上多不可行， 尤其是對於組件側壁的量測或液晶顯示器製程中的印刷電路板雷射鑽孔的孔洞側 壁輪廓量測；傳統三次元量測技術的準確度也不夠高(僅在l微米左右)。然而, 隨著生活日用品日益輕薄短小化，包括機械組件、微機電組件、光通訊組件與徼 加工精細組件的應用急速增加，對於釐米等級的微機電組件、或是髙深寬比的微 加工組件的三維量測，目前均無適當的儀器可供使用。探針感測裝置的關鍵問題在於感測系統的設計與製造。探針接觸觸發(touch trigger)的機制可大致區分為兩大類 一類是間接式，也即將探測球接觸待測物的 能量通過探針柄(probe shank)的形變傳遞至探針系統(probing system)的感測部位； 另--類是直接式，即在探測球位置產生觸發訊號。這兩類接觸觸發機制的差異在 於，間接式接觸觸發方式其探針柄必須具備足夠大的勁度(stiffiiess)，方可將探針 球與待測物接觸點的接觸作用力(能量)傳遞至探針系統的感測部位而產生足夠大 的變形，此一條件限制了探針柄的最小直徑，同時限制了待測結構的最小尺寸以及量測的應用範圍。圖1所示為美國北卡羅萊納中央大學(NCCU)所設計出的--感測技術，其是使 用一懸臂梁連接--探針，並分別以壓電致動器與壓電傳感器連接至所述的懸臂梁， 壓電致動器會使所述的懸臂粱與探針不斷振動，壓電傳感器則接收振動訊號，待 接觸待測物後，壓電傳感器便會感測到訊號的相位改變，進而判定接觸到待測物。 然而在此種結構下，會存在有下列缺點-1. 懸臂梁體積大，使得感測結構無法微型化。2. 無法連接較小的探針柄。3. 量測力量大，易損傷待測物。4. 受限於探針振動方向，故有著各向異性(Anisotropy), 二維量測時會存有誤。因此，所需要的是一種可微型化的感測結構，其是可進行精密量測，且不受 限於量測維度。發明內容本發明的主要目的是提供一種相位式探針感測結構，其是利用薄膜結構來進 行致動與感測，並使探針柄與感測結構在一預定模態下振動，以達成具有高量測 靈敏度的目的。為達上述目的，本發明是提供一種相位式探針感測結構，其是與一探針相連 接，所述的相位式探針感測結構包含 一致動單元；與所述的致動單元相連接的 一基材以及與所述的基材相連接的一感測單元；其中，所述的致動單元是產生 一預定頻率的振動，使所述的相位式探針感測結構在一預定模態下振動。較佳地，所述的基材是一薄膜。較佳地，所述的薄膜是由溶膠-凝膠(Sol-Gel)製程所製成。 較佳地，所述的薄膜是呈圓盤狀。 較佳地，所述的圓盤狀薄膜的直徑為7毫米(mm)。 較佳地，所述的基材的厚度是小於100微米0mi)。 較佳地，所述的基材是一直梁(prismaticbeam)。較佳地，所述的基材是複數個彼此連接的直梁，所述的複數個直梁中的任兩 相鄰直梁的夾角均相等。較佳地，所述的基材是由矽(smcoii)所製成。 較佳地，所述的致動單元是一壓電致動器。 較佳地，所述的壓電致動器是一壓電薄膜。較佳地，所述的壓電致動器是由壓電陶瓷(PZT)所製成。 較佳地，所述的壓電致動器是由高分子壓電材料(PVF2)所製成。 較佳地，所述的壓電致動器是由氧化鋅(ZnO)所製成。 較佳地，所述的探針是連接在所述的基材振動時的節點附近。 較佳地，所述的感測單元是一壓電傳感器。 較佳地，所述的壓電傳感器是一壓電薄膜。 較佳地，所述的壓電傳感器是一壓阻薄膜。較佳地，所述的相位式探針感測結構的振動位移方向是平行於所述的探針的 長軸方向。較佳地，所述的探針更包括一探針柄以及一探測頭，所述的探針柄的一端是 與所述的基材連接而另一端是所述的探測頭連接。 較佳地，所述的探針柄以及探測頭是一體成形。 較佳地，所述的探針是與所述的基材相連接。與現有技術相比較，本發明具有的有益效果是如此一來，根據本發明所制 作的相位式探針感測結構，是可提高探針的量測靈敏度，同時大幅降低量測時探 針對待測物的施力大小，有效改良背景技術的缺失。
圖1是背景技術中的感測裝置示意圉圖2是本發明相位式探針感測結構的立體圖圖3是本發明相位式探針感測結構的剖面圖；圖4是本發明相位式探針感測結構的操作示意圖圖5是本發明相位式探針感測結構的一變化實施例；圖6是本發明相位式探針感測結構的另一變化實施例;圖7A是本發明中的基材形狀的一實臃例；圖7B是本發明中的基材形狀的另一實施例；以及圖7C是本發明中的基材形狀的又--實施例。附圖標記說明l-相位式探針感測結構；2-探針3-待測物；lO-致動單元； 12-基材；14-感測單元；20-探針柄；22-探測頭；lOO-傳導線；140-傳導線。
具體實施方式
請參照圖2與圖3,其是分別為本發明相位式探針感測結構的立體與剖面圖。 所述的相位式探針感測結構1是由一致動單元10、一基材12以及一感測單元14 所組成，且所述的基材12更連接一探針2，所述的探針2是包括一探針柄20與 —探測頭22,所述的探針柄20的一端是與所述的基材12連接，另一端則與所述 的探測頭22連接。在結構上，在本發明較佳實施例中，所述的致動單元10是一 壓電致動薄膜，所述的感測單元14則為一壓電感測薄膜，所述的基材12也為一 薄膜化低耗損材料，例如矽晶圓，所述的致動單元10與所述的感測單元14是分 別貼附在所述的基材12的兩側。當量測時，使用者是以特定頻率的電壓作動所述的致動單元IO，所述的致動 單元IO會產生-預定頻率的振動並帶動整個相位式探針感測結構1振動然後， 再調整所述的致動單元IO的振動頻率，如此便能在一預定振動頻率(較佳為接近 共振頻率的模態，如圖4所示)下操作整個相位式探針感測結構1:進而對待測物 3進行量測。再請參照圖4，其是本發明相位式探針感測結構的操作示意圖。其中當作動 所述的相位式探針感測結構1時，所述的相位式探針感測結構1較佳是在一預定 模態下振動，並使所述的探針2處在節點位置(按此處所指的節點位置是"在節 點附近"，而並非指位於節點位置上)；在此種操作模態下，探針2可獲得較佳 的靈敏度，因此無需大的施力接觸待測物3即可進行量測。再請參照圖5與圖6，其是分別為本發明相位式探針感測結構的兩變化實施 例。在圖5中，所述的致動單元10與所述的感測單元14是分別貼附在所述的基 材12的兩側部分位置。也即所述的致動單元IO只要能致動所述的基材12，使所 述的基材12帶動探針2振動即可，並非限於壓電薄膜；而所述的感測單元14隻 要能接收到基材12振動相位是否有改變即可，也非僅局限於壓電薄膜。類似地， 所述的致動單元10也可憑藉一傳導線100連接並將振動能量傳至基材12，而所 述的感測單元"也可憑藉-*傳導線140連接至所述的基材12，並進行振動相位的接收，如圖6所示。圖7A至圖7C是本發明相位式探針感測結構的基材形狀的多種實施例(為簡 化圖式，致動單元與感測單元是予以省略)。在圖7A中，所述的基材12是一直 梁(prisinaticbearo)，探針2則連接在所述的基材12的中心位置。在圖7B中，所 述的基材12是兩根彼此連接交會的直梁，且所述的直梁中的任兩相鄰夾角均相等 (也即所述的基材12為一對稱圖形)，探針2則連接在所述的基材12的中心位 置。在圖7C中，所述的基材12則為一輪轂狀圓環，中央連接有複數根直梁，探 針2也連接在所述的基材12的中心位置。以上變化僅用在示例而非限制，類似變 化在此將不再一一贅述。在本發明中，所述的薄膜基材是可由溶膠-凝膠(Sol-Gel)製程所製成。且所述 的薄膜基材是對稱的形狀，例如直梁狀、圓盤狀或輪轂狀。當所述的薄膜基材為 圓盤狀時，其直徑較佳是7毫米(mm),且厚度約在數十微米Ottn),—般是小於100 微米(pm)。所述的致動單元是可為一壓電致動器，例如壓電薄膜且所述的致動 單元可由壓電陶瓷(PZT)、高分子壓電材料(PVF2)或氧化鋅(ZnO)所製成。同樣地, 所述的感測單元是可為一壓電傳感器或壓阻材料，例如壓電薄膜或壓阻薄膜；當 然，所述的致動單元和感測單元也非僅局限於上述物品，凡只要能達到本發明的 技術手段者，都在本發明的權利範圍內，在此不再贅述。在實施時，所述的探針是連接在所述的基材振動時的節點位置附近以獲得最 佳效果。當然，所述的探針並非一定要連接在所述的節點位置附近，其只要能與 所述的基材連接而作為接收外界訊號(如與待測物接觸)的橋梁即可。又，所述 的相位式探針感測結構的振動位移方向是較佳平行於所述的探針的長軸方向，如 此可精確進行量測，減少各向異性(Anisotr叩y)的問題。以上說明對本發明而言只是說明性的，而非限制性的，本領域普通技術人員 理解，在不脫離權利要求所限定的精神和範圍的情況下，可作出許多修改、變化 或等效，但都將落入本發明的權利要求可限定的範圍之內。
權利要求
1. 一種相位式探針感測結構，其是與一探針相連接，其特徵在於所述的相位式探針感測結構包含一致動單元；一基材，其是與所述的致動單元相連接；以及一感測單元，其是與所述的基材相連接；其中，所述的致動單元是使所述的相位式探針感測結構產生一預定頻率的振動。
2. 根據權利要求1所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的基材是 —薄膜。
3. 根據權利要求1所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的基材是 呈圓盤狀。
4. 根據權利要求3所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的基材是 一薄膜，且所述的圓盤狀薄膜的直徑為7毫米。
5. 根據權利要求1所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的基材的 厚度是小於100微米。
6. 根據權利要求1所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的基材是 一直梁。
7. 根據權利要求1所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的基材是 複數個彼此連接的直梁，所述的複數個直粱中的任兩相鄰直梁的夾角均相等。
8. 根據權利要求1所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的致動單 元是一壓電致動器。
9. 根據權利要求8所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的壓電致 動器是一壓電薄膜。
10. 根據權利要求8所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的壓電致 動器是由壓電陶瓷所製成。
11. 根據權利要求8所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的壓電致 動器是由高分子壓電材料所製成。
12. 根據權利要求8所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的壓電致 動器是由氧化鋅所製成。
13. 根據權利要求1所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的感測單 元是一壓電傳感器。
14. 如權利要求第13項所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的壓 電傳感器是一壓電薄膜。
15. 如權利要求第13項所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的壓 電傳感器是一壓阻薄膜。
16. 根據權利要求1所述的相位式探針感測結構，其特徵在於所述的相位式 探針感測結構的振動位移方向是平行於所述的探針的長軸方向。
全文摘要
本發明是一種相位式探針感測結構，其是與一探針相連接，所述的相位式探針感測結構包含一致動單元；與所述的致動單元相連接的一基材；以及與所述的基材相連接的一感測單元；其中，所述的致動單元是產生一定頻率的振動，使所述的相位式探針感測結構共振在一預定模態；如此，本發明的相位式探針感測結構是能提高探針的量測靈敏度，同時大幅降低量測時探針對待測物的施力大小，有效解決現有技術的缺點。
文檔編號G01B7/008GK101226047SQ20071000093
公開日2008年7月23日 申請日期2007年1月15日 優先權日2007年1月15日
發明者吳乾埼, 林志明, 翁漢甫, 許正治 申請人:財團法人工業技術研究院