微元件內部垂直輪廓量測系統之研究

高深寬微元件之內部垂直輪廓因具有高而深的內壁與狹窄的空間，以一般的量測方式，如工具顯微鏡與三次元量床等，難以達到內部輪廓量測的目的。本論文提出一新型、結構簡化之電容感測式探針，配合自行開發的量測系統進行具有高深寬比特徵的微孔垂直輪廓量測。先估測量測系統的不確定度，再量測標準塊規的水平、垂直輪廓的真直度誤差到達1um。最後量測出直徑1.5mm金屬孔與直徑1.0mm陶瓷眼模孔的垂直輪廓，達到的最大量測深度為12.8mm。Measuring the vertical profile inside a micro part is a difficult but important task, especially when micro holes are frequently encountered nowadays. However, when the interior dimension of the micro part is smaller than 1mm, the smallest dimension of the pin-ball probe currently available for the coordinates measuring machines, there is practically no measuring apparatus available so far to serve the purpose. An approach by applying the capacitance-sensing principle to measure the interior vertical profile of a high aspect ratio micro part, such as a hole with 1.0mm diameter, is proposed and implemented. Experiments are conducted and the measurement accuracy is able to be reached to about 1um. The structure and the circuitry of the developed measuring system are both simple. Besides, the developed system is innovative and has a great potential for industrial application. Further study toward the measurement and assessment of the circularity and cylindricity of micro holes by the developed system is underway.目 錄 誌謝 I 中文摘要 III Abstract IV 目錄 V 圖目錄 VII 表目錄 XI 符號對照表 XII 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-2 文獻回顧 2 1-3 研究目的與方法 7 1-4 論文架構 8 第二章 電容感測原理 9 2-1 電容原理 9 2-1-1 不同形狀極板之間的電容值計算公式 10 2-2 電容感測之轉換元件 12 2-2-1 改變極板間距型之轉換元件 12 2-3 電容感測之感測電路 14 2-3-1 各種感測電路介紹 15 2-4 雜訊干擾防制 18 2-4-1 雜訊來源 18 2-4-2 雜訊防制方法 23 第三章 量測系統之開發 30 3-1 感測電路的選用與實踐 30 3-1-1 555無穩態電路 31 3-1-2 單晶片8051方波計時電路 33 3-1-3 雜訊防制 37 3-2 量測探針設計 40 3-2-1 探針素材形狀探討 40 3-2-2 探針整體幾何形狀探討 43 3-2-3 探針的感測面積對電容變化的影響 44 3-2-4 探針變形探討 46 3-2-5 探針之製造流程 48 3-3 探針夾具設計 50 3-4 量測平台 51 3-5 量測數據擷取方法 52 第四章 實驗驗證方法與結果 54 4-1 實驗驗證方法 54 4-1-1 量測不確定度估算 54 4-1-2 塊規水平與垂直輪廓量測 55 4-1-3 微孔垂直輪廓量測 56 4-2 實驗結果 58 4-2-1 量測不確定度估算結果 58 4-2-2 塊規水平輪廓量測結果 59 4-2-3 塊規垂直輪廓量測結果 60 4-2-4 微孔垂直輪廓量測結果 61 第五章 結論與未來展望 63 5-1 結論 63 5-2 未來展望 64 參考文獻 65 附錄A 最小平和方法估算真直度 一 作者簡歷