一种基于基板表面平整度测量的测高装置及方法

技术领域

本发明涉及微小距离测量技术领域，尤其涉及一种基于基板表面平整度测量的测高装置及方法。

背景技术

Bondling生产工艺中，需要将被绑定单元放置在基板的对应位置，为提高绑定效率，要求绑定头高频率快速且精准可控的将被绑定单元放置在基板对应的位置，因此需要对基板的高度或平整度进行快速且精确的测量。

目前市场上应用的激光测距装置线性度好，量程大，但其精度较低，且对透明材料的物体测距时分辨率低，且价格昂贵。

市场上应用的电涡流测距装置，因被测物要求为非导磁材料，且被测面需较大于电涡流测头，导致电涡流装置体积较大，且分辨率低。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于基板表面平整度测量的测高装置及方法，使用接触式测距，但不使用压力值，具有测量精度高、测量速度快的优点，适用于玻璃等极板表面平整度快速检测的应用。

本发明提出的一种基于基板表面平整度测量的测高装置及方法，包括支架、测头机构、测量机构和信号处理机构，测头机构和测量机构设置于支架上；测头机构的测头极板与测量机构的测量极板构成电容器，电容器与信号处理机构电连接。

进一步地，所述测头机构包括测头极板、测头、伸缩机构和固定于支架上的第一支撑机构，测头一端固定于测头极板上、另一端设置于待测基板上方，伸缩机构的一端与测头极板固定连接、另一端与第一支撑机构固定连接。

进一步地，所述测量机构包括测量极板、保护极板和固定于支架上的第二支撑机构，保护极板与第二支架机构固定连接，2n个测量极板绝缘设置于保护极板上，n为大于等于1的整数。

进一步地，测头极板的表面积大于所有测量极板的表面积之和，测量极板和保护极板处于等电位。

进一步地，所述信号处理机构中设置有用于对电容器输出的待测电容进行电路外部及内部杂散电容进行补偿的补偿电路；

所述补偿电路包括第一信号传输对地杂散电容Cstr0、第二信号传输对地杂散电容Cstr1、电路内部寄生的杂散电容Cin、电容充放电电阻R、开关A0、开关B0、开关A1和开关B1，第一信号传输对地杂散电容Cstr0与第二信号传输对地杂散电容Cstr1连接后与待测电容Cout并联，并联后的一端一路连接到开关A0的一端，另一路连接到开关B0的一端，并联后的另一端连接到开关A1的一端，另一路连接到开关B1的一端，开关A0的另一端和开关A1的另一端均接地，开关B0的另一端和开关B1的另一端均分别连接到电路内部寄生的杂散电容Cin的一端和电容充放电电阻R的一端，电路内部寄生的杂散电容Cin的另一端和电容充放电电阻R的另一端均接地，第一信号传输对地杂散电容Cstr0与第二信号传输对地杂散电容Cstr1的连接节点接地。

一种基于基板表面平整度测量的测高方法，其特征在于，包括：

对测高装置进行电路外部及内部杂散电容进行测量，得到电路外部杂散电容补偿值和内部杂散电容补偿值；

对测头机构的测头极板与测量机构的测量极板之间的距离进行标定，得到标定高度d0；

根据电路外部杂散电容补偿值、内部杂散电容补偿值、预设基准电容的电容值和放电时间，计算得到电容器所上传的测量电容值；

根据测量电容值和标定高度d0计算得到待测物基板的表面平整度变化量ΔD。

进一步地，在对测高装置进行电路外部及内部杂散电容进行测量，得到电路外部杂散电容补偿值和内部杂散电容补偿值中，采用补偿电路对电路外部及每部杂散电容进行测量；

补偿电路具体为：补偿电路包括第一信号传输对地杂散电容Cstr0、第二信号传输对地杂散电容Cstr1、电路内部寄生的杂散电容Cin、电容充放电电阻R、开关A0、开关B0、开关A1和开关B1，第一信号传输对地杂散电容Cstr0与第二信号传输对地杂散电容Cstr1连接后与待测电容Cou并联，并联后的一端一路连接到开关A0的一端，另一路连接到开关B0的一端，并联后的另一端连接到开关A1的一端，另一路连接到开关B1的一端，开关A0的另一端和开关A1的另一端均接地，开关B0的另一端和开关B1的另一端均分别连接到电路内部寄生的杂散电容Cin的一端和电容充放电电阻R的一端，电路内部寄生的杂散电容Cin的另一端和电容充放电电阻R的另一端均接地，第一信号传输对地杂散电容Cstr0与第二信号传输对地杂散电容Cstr1的连接节点接地；

电路外部杂散电容补偿值和内部杂散电容补偿值的测量过程如下：

控制开关B1和开关A0关闭，控制开关B0和开关A1打开，待测电容Cout、第一信号传输对地杂散电容Cstr0、电路内部寄生的杂散电容Cin并联，记录输出等效电容C1，对等效电容C1进行满电放电，记录等效电容C1放电到到检测阈值电压V

控制开关B0和开关A1关闭，控制开关B1和开关A0打开，待测电容Cout、第二信号传输对地杂散电容Cstr1、电路内部寄生的杂散电容Cin并联，输出，此时等效电容值为C2，对等效电容C2进行满电放电，记录等效电容C2放电到到检测阈值电压V

控制开关B0和开关B1关闭，控制开关A0和开关A1打开，第一信号传输对地杂散电容Cstr0、第二信号传输对地杂散电容Cstr1、电路内部寄生的杂散电容Cin并联，此时等效电容值为C3，对等效电容C3进行满电放电，记录等效电容C3放电到到检测阈值电压V

控制开关B0和开关B1打开，控制开关A0和开关A1打开，此时等效电容值为C4，对等效电容C4进行满电放电，记录等效电容C4放电到到检测阈值电压V

根据等效电容C1、等效电容C2、等效电容C3、等效电容C4，计算得到第一信号传输对地杂散电容Cstr0、第二信号传输对地杂散电容Cstr1、电路内部寄生的杂散电容Cin的电容值，其中，第一信号传输对地杂散电容Cstr0和第二信号传输对地杂散电容Cstr1作为外部杂散补偿电容，电路内部寄生的杂散电容Cin作为内部杂散补偿电容。

进一步地，在根据测量电容值和标定高度d0计算得到待测物基板的表面平整度变化量ΔD中，具体包括：

将测量机构的测量极板划分成n个矩形极板，记录每个矩形极板的长度L和宽度b，记录矩形极板靠近保护极板圆心O的距离R1以及矩形极板远离保护极板圆心O的距离R2；

设置矩形极板与测头极板之间的窄端间距为m，根据长度L和宽度b，得到测量电容值C

根据测量电容值C

本发明提供的一种基于基板表面平整度测量的测高装置及方法的优点在于：本发明结构中提供的一种基于基板表面平整度测量的测高装置及方法，使用接触式测距，但不使用压力值，而是直接将测头的压缩距离转换为被测距离，因此对被测基板的材料属性、厚度及透明度没有要求，测头极板与测量极板形成了电容器，将被测物表面平整度变化通过测头机构的测头转换为测头机构的测头极板与测量机构的测量极板之间的距离变化，利用电容器电容值与两极板间间距的关系，计算出被测物的高度或平整度，该测高装置具有测量精度高、测量速度快的优点，适用于玻璃等极板表面平整度快速检测的应用。

附图说明

图1为本发明测高装置的结构示意图；

图2为测高方法的流程图；

图3为对待测电容进行补偿的补偿电路中开关A0和开关B1闭合，开关A1和开关B0打开的电路示意图；

图4为对待测电容进行补偿的补偿电路中开关A1和开关B0闭合，开关A0和开关B1打开的电路示意图；

图5为对待测电容进行补偿的补偿电路中开关A0和开关A0打开，开关B0和开关B1闭合的电路示意图；

图6为对待测电容进行补偿的补偿电路中开关A0、开关A0、开关B0、开关B1均打开的电路示意图；

图7为用于基准电容建立的电路示意图；

图8为测头极板2与测量极板构成的电容器为非平行板电容器的示意图；

其中，1-支架，2-测头机构，3-测量机构，4-信号处理机构，21-测头极板，22-测头，23-伸缩机构，24-第一支撑机构，31-测量极板，32-保护极板，33-第二支撑机构。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1至8所示，本发明提出的一种基于基板表面平整度测量的测高装置，包括支架1、测头机构2、测量机构3和信号处理机构4，测头机构2和测量机构3设置于支架1上；测头机构2的测头极板21与测量机构3的测量极板31构成电容器，电容器与信号处理机构4电连接。

使用接触式测距，但不使用压力值，而是直接将测头22的压缩距离转换为被测距离，因此对被测基板的材料属性、厚度及透明度没有要求，测头极板21与测量极板31形成了电容器，将被测物表面平整度变化通过测头机构2的测头22转换为测头机构2的测头极板21与测量机构3的测量极板31之间的距离变化，利用电容器电容值与两极板间间距的关系，计算出被测物的高度或平整度，该测高装置具有测量精度高、测量速度快的优点，适用于玻璃等极板表面平整度快速检测的应用。

在本实施例中，测头机构2包括测头极板21、测头22、伸缩机构23和固定于支架1上的第一支撑机构24，测头22一端固定于测头极板21上、另一端设置于待测基板上方，伸缩机构23的一端与测头极板21固定连接、另一端与第一支撑机构24固定连接。伸缩机构23可以采用伸缩弹簧，两个第一支撑机构24分别设置于测头极板21的对称两侧并固定于支架1上设置，每个第一支撑机构24与伸缩机构23固定连接，通过伸缩机构23的伸缩动态体现测头极板21与测量极板31之间的距离变化。

测量机构3包括测量极板31、保护极板32和固定于支架1上的第二支撑机构33，保护极板32与第二支架1机构固定连接，2n个测量极板31绝缘设置于保护极板32上，n为大于等于1的整数，例如当n等于1时，两个测量极板31相对于保护极板32的圆心对称。

控制器控制激励信号，保障保护极板32与测量极板31处于等电位，在等电位及测头极板21的表面积大于所有测量极板31的表面积之和的情况下，测量极板31作为电容器的一个极板的电容边缘效应将大大降低，从而进一步提高了装置测量的准确度，其中控制器为信号处理机构4中的控制单元。

其中电容器电容值与两极板间间距的关系具体：由于测头极板21与测量极板31构成了平行板电容器，在忽略平行板电容器两极板边缘效应的情况下，可以测量到对应的电容值，平行板电容器的电容值与两极板间的距离存在着以下关系：C＝ε

被测物高度或平整度的变化通过测头22转换为测头极板21与测量极板31之间的距离变化，因此测量出测头极板21与测量极板31之间的距离，即测量出了被测物的高度或平整度。但是当测头极板21发生轻微倾斜时，对电容测距的准确度有一定的影响，因此测量机构3中设置2n个对称分布测量极板31，当测头极板21发生倾斜时，靠近测量极板31的电容值偏大，测量极板31的对称端测得的电容值偏小，控制器接受到这些信号后，进行处理，即可算出在测头极板21发生轻微倾斜状态下的距离。

在本实施例中，由于信号采集过程中，线缆间及内部电路间存在干扰的杂散电容，因此控制器在测量前需要通过补偿电路对装置进行电路外部及内部杂散电容的补偿，控制器通过控制电路对应的开关，可将电路外部及内部的杂散电容补偿掉，从而测量出实际需要测量的信号，保障了装置测量的准确度，具体补偿电路如下：

如图3至6所示：补偿电路包括第一信号传输对地杂散电容Cstr0、第二信号传输对地杂散电容Cstr1、电路内部寄生的杂散电容Cin、电容充放电电阻R、开关A0、开关B0、开关A1和开关B1，第一信号传输对地杂散电容Cstr0与第二信号传输对地杂散电容Cstr1连接后与待测电容Cout并联，并联后的一端一路连接到开关A0的一端，另一路连接到开关B0的一端，并联后的另一端连接到开关A1的一端，另一路连接到开关B1的一端，开关A0的另一端和开关A1的另一端均接地，开关B0的另一端和开关B1的另一端均分别连接到电路内部寄生的杂散电容Cin的一端和电容充放电电阻R的一端，电路内部寄生的杂散电容Cin的另一端和电容充放电电阻R的另一端均接地，第一信号传输对地杂散电容Cstr0与第二信号传输对地杂散电容Cstr1的连接节点接地。

补偿电路具体工作过程如3至6所示：如图3所示，控制开关B1和开关A0关闭，控制开关B0和开关A1打开，待测电容Cout、第一信号传输对地杂散电容Cstr0、电路内部寄生的杂散电容Cin并联，记录输出等效电容C1＝Cout+Cstr0+Cin，对等效电容C1进行满电放电，记录等效电容C1放电到到检测阈值电压V

如图4所示，控制开关B0和开关A1关闭，控制开关B1和开关A0打开，待测电容Cout、第二信号传输对地杂散电容Cstr1、电路内部寄生的杂散电容Cin并联，输出，此时等效电容值为C2＝Cout+Cstr1+Cin，对等效电容C2进行满电放电，记录等效电容C2放电到到检测阈值电压V

如图5所示，控制开关B0和开关B1关闭，控制开关A0和开关A1打开，第一信号传输对地杂散电容Cstr0、第二信号传输对地杂散电容Cstr1、电路内部寄生的杂散电容Cin并联，此时等效电容值为C3＝Cstr0+Cstr1+Cin，对等效电容C3进行满电放电，记录等效电容C3放电到到检测阈值电压V

如图6所示，控制开关B0和开关B1打开，控制开关A0和开关A1打开，此时等效电容值为C4，对等效电容C4进行满电放电，记录等效电容C4放电到到检测阈值电压V

根据等效电容C1、等效电容C2、等效电容C3、等效电容C4，计算得到第一信号传输对地杂散电容Cstr0、第二信号传输对地杂散电容Cstr1、电路内部寄生的杂散电容Cin的电容值，其中，第一信号传输对地杂散电容Cstr0和第二信号传输对地杂散电容Cstr1作为外部杂散补偿电容，电路内部寄生的杂散电容Cin作为内部杂散补偿电容。

最终得到：

外部杂散电容Cstr0＝(C3+C1-C2-C4)/2

外部杂散电容Cstr1＝(C3+C2-C1-C4)/2

外部杂散电容Cstr0+Cstr1＝C3-C4

内部杂散电容Cin＝C4

则外部杂散电容Cstr0+Cstr1＝C3-C4＝k(T

因此系统可根据实际情况只选择外部杂散电容补偿，或者只选择内部杂散电容补偿，或者外部和内部杂散电容都补偿。

一种基于基板表面平整度测量的测高方法，包括如下步骤S1至S4：

S1：对测高装置进行电路外部及内部杂散电容进行测量，得到电路外部杂散电容补偿值和内部杂散电容补偿值；

通过上述补偿电路计算得到外部杂散电容Cstr0+Cstr1和内部杂散电容Cin，对待测电容进行补偿。

另外信号处理单元在测量前，需要设置基准电容，且基准电容与被测信号采用同样的电路进行测量。控制器会将待测电容与基准电容进行对比，能有效的解决因环境因素造成的测量不准的问题。

在本实施例中，基准电容的建立过程：

首先如图6所示，控制器控制开关B0、开关B1打开，开关A1、开关A0打开，此时测得的电容为内部杂散电容Cin，因此此时测得的等效电容C4满足如下关系

C4＝Cin；

接着如图7所示，控制器控制开关K1闭合，由于基准电容没有线缆引出，且非常靠近控制器，故外部杂散电容可忽略，此时电容Cy和Cin并联，因此此时测得的电容C5满足如下关系：

C5＝Cy+Cin；

此时基准电容Cref的值等于Cy，即Cref＝C5-C4。

即可得到基准电容的电容值Cref，控制器控制激励信号首先作用于基准电容，基准电容在激励信号的作用下分别经历三个阶段，充电阶段、充满电阶段、放电阶段，当基准电容放电到检测阈值电压V

此时Cref＝C5-C4＝k(T

其中上述内外部补偿电容的充放电电阻和基准电容的充放电电阻相同，充满电电压相同，检测阈值电压V

根据上述补偿电路分别对基准电容和待测电容进行补偿，得到补偿后的基准电容值和补偿后的待测电容值，当在对待测电容C

另外当对基准电容C

从RC电路充放电的一阶静态响应公式V

由于待测电容在进行内外部杂散电容补偿时，采用的充放电电阻相同，充满电电压相同，检测阈值电压V

C

以上电路外部杂散电容补偿值、内部杂散电容补偿值、基准电容的电容值和基准电容放电到检测阈值电压V

S2：对测头机构2的测头极板21与测量机构3的测量极板31之间的距离进行标定，得到标定高度d0；

装置向待测基板的基准面靠近，当测头22与基准面接触并压缩至测头极板21与测量极板31之间的距离为d0时，记d0为标定高度。完成标定后，装置可按照设备的运行速度来实现对被测物的测高。当被测物凸起时，伸缩机构23压缩，测头极板21与测量极板31之间的距离变小，此时测头极板21与测量极板31之间的距离为d

S3：根据电路外部杂散电容补偿值、内部杂散电容补偿值、预设基准电容的电容值和放电时间，计算得到电容器所上传的测量电容值；

控制器控制激励信号作用于测量极板31和保护极板32，测量极板31和保护极板32保持着等电位，且测头极板21大于测量极板31与保护极板32，因此电容器两极板间的电容边缘效应将大大降低，平行板电容器的电容值将更接近公式：C＝ε0A/d

S4：根据测量电容值和标定高度d0计算得到待测物基板的表面平整度变化量ΔD。

装置测量开始时，信号激励单元发出激励信号，激励信号分别作用于保护极板32以及的2n个测量极板31，保护极板32与测量极板31等电位，能有效消除测量极板31的边缘效应。

2n个测量极板31与测头极板31构成了2n个电容器，当测头极板31出现倾斜时，2n个电容器的容量会有差别。测头极板31靠近测量单元平面极板测得电容值较理想值偏大，对称侧得电容值较理想值偏小。控制器再接收到这些信号后，进行计算，并做对应得补偿，使计算出得距离更接近真实测量距离，计算补偿具体实施包括如下步骤S41至S43：

S41：将测量机构3的测量极板31划分成n个矩形极板，记录每个矩形极板的长度L和宽度b，记录矩形极板靠近保护极板32圆心O的距离R1以及矩形极板远离保护极板32圆心O的距离R2，其中记录非平行电容器两极板的延长线相交于Q点，夹角为θ，极板窄端和宽端到Q点的距离分别为Q1，Q2，则Q2-Q1＝L；

假设2n个测量极板31的n等于1，且两测量极板31为两矩形极板，测量极板31长为L，宽为b，测量极板31中心距保护极板中心距离为r。

由于测头极板21发生倾斜，因此测头极板21与测量极板31构成的电容器为非平行板电容器，如图8所示。将上述测量极板31都等效为n个矩形极板，当n较大时，每个矩形极板与测头极板21构成的电容器可视作n个并联的平行板电容器，则每个矩形极板的面积ΔS＝ΔLb/n，ΔL＝nΔr，ΔL表示矩形极板的长度，Δr表示矩形极板中心距保护极板中心的距离，距离保护极板32圆心O距离为r

因此该矩形极板与测头极板21构成的非平行电容器的电容值C

当n→∞时，Δr→0，

上式可推出

S42：设置矩形极板与测头极板21之间的窄端间距为m，根据长度L和宽度b，得到测量电容值C

矩形极板与测头极板21的窄端间距记作m，如图8所示，两个矩形极板与测头极板21的窄端间距分别为m1和m2，则tanθ＝m/Q1；

则上式

该式采用泰勒级数展开

取前两式，

当测头极板21倾斜角度较小时，及tanθ≈0，因此，上式

即非平行板电容器在倾斜角θ较小时，其电容值近似等于两极板间距为窄端间距的平行板电容器的电容值。

得到C

C

可以得到m与T

S43：根据测量电容值C

设测头极板21靠近测量极板31窄边至两极板相交点的距离为X，则

因此实际距离

当测头极板21与测量极板31平行时，及m1＝m2，则

因此该非平行电容器极板间距离计算方法涵盖了平行板电容极板间距离计算。

因此测头极板21与测量极板31之间的实际距离

其中，ε

其中，(T

处理器会收集到的2n个测量极板31的信号进行比较，从而判断出哪些极板采集到的信号为m2间距对应的信号，哪些极板采集到的信号为m1间距信号。判断依据为，m2相较于m1间距小，因此该电容信号大。

综上；被测物表面平整度变化量|

当ΔD＞0，表示被测物该测点下的表面是凸起，凸起量为

当ΔD＜0，表示被测物该测点下的表面是凹陷，凹陷量为

当ΔD＝0，表示被测物该测点下的表面和基准面相同。

式中T

式中T

式中T

式中T

另，(T

因而在实际测量时，对于内外杂散电容不是得到对应的电容值，而是计算得到对内外杂散电容的放电时间，最终控制器所记录的也是放电时间，同时基准电容的电容值和放电时间也记录，对测量极板31进行n份划分，得到的每个矩形极板的尺寸结构以及相对于保护极板32中心的距离也就是常量，ε

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。