共焦位移传感器如何以纳米级检查 MEMS 结构的形状尺寸和表面形貌

最新的共焦色度传感器具有极高的灵敏度和亚微米分辨率，在生产期间或后期检查 MEMS 结构的形状、尺寸和表面形貌方面具有显着优势。这些传感器可以集成到线性 XY 平台、机床或具有闭环反馈控制的专用检测系统。

光谱共焦传感器如何工作？

共焦色度测量原理通过使用多透镜光学系统将多色白光聚焦到目标表面来工作。透镜的排列方式是通过控制色差（像差）将白光分散成单色光。工厂校准为每个波长分配了一定的偏差（特定距离）。

只有精确聚焦在目标表面或材料上的波长才能用于测量。从目标表面反射的这种光通过共焦孔径到达光谱仪，该光谱仪检测并处理光谱变化。

共焦测量提供纳米分辨率并且几乎独立于目标材料运行。在整个传感器的测量范围内，实现了一个非常小的、恒定的光斑尺寸，通常 <10 m。微型径向和轴向共焦版本可用于测量钻孔或钻孔的内表面，以及测量窄孔、小间隙和空腔。

检查高反射和暗漫反射表面

精密激光微加工工厂正受益于非接触式共焦色度传感器的使用。例如，英国的 OpTek Systems 公司已在其多台激光加工机上安装了非接触式共焦色度传感器。这些高精度共焦位移传感器能够测量困难材料的表面光洁度和凹槽深度，范围从高反射镜面到深色漫射表面。

OpTek 制造的机器需要以极高的公差工作，通常达到亚微米精度。这意味着安装在这些机器上的任何测量和检查系统也需要以这些精度水平运行。在最近的一个项目中，OpTek 在其机器的原位测量能力方面遇到了一些挑战，需要以 0.25 微米的精度测量盘形元件表面激光蚀刻特征的深度，以及以小于 0.1 微米的精度测量这些组件的表面光洁度 [Ra]。

这些相同的测量系统还需要应对组件的纹理和表面光洁度的变化，这些组件可能是高精度空气轴承或密封件。通常，这些组件由金属或硬质陶瓷（例如碳化硅或碳化钨）加工而成，因此传感器需要在黑暗的漫反射表面以及闪亮的反射镜面表面上进行测量。寻找能够为 OpTek 提供一种满足这些要求的传感器的供应商被证明具有挑战性。

OpTek 确实考虑使用一些通常用于离线测量的基于接触的触针测量系统，但将这些相当精密的接触式探头传感器集成到机器的自动化环境中的实用性存在问题。

此外，非接触式探头能够以小公差测量一系列不同尺寸和形状的零件和特征，无论是深度还是横向，而不用担心机械碰撞，这使得非接触式方法非常有吸引力。此外，避免探头尖端清洁和更换的能力提供了更可靠和稳定的长期解决方案。

OpTek 考虑了各种非接触式位移测量原理，包括激光三角测量传感器。然而，得出的结论是，激光传感器无法提供该应用所需的测量精度，尤其是当表面从暗色、漫反射变为高反射时。

非接触式共焦位移传感器。这些传感器受益于较大的间隔距离（高达 100 毫米），为用户提供了更大的灵活性，可用于各种应用。此外，传感器的倾斜角度已显着增加，这在测量不断变化的表面特征时提供了更好的性能。

增加实际价值

OpTek 机器，实际上是一般的激光机器，已经具有需要测量的组件的视线，因此在该目标附近安装共焦传感器相对简单。共焦传感器可以远离激光加工过程产生的碎片场，然后几乎实时测量结果。

此外，能够为其客户提供具有现场测量能力的激光加工机器，以应对困难的、不断变化的表面纹理，为 OpTek 产品增加了真正的价值。这些传感器能够测量以前超出 OpTek 能力的组件和表面特征，这反过来又为在其机器上提供新的质量保证功能开辟了很多空间。

我公司专注于超精密测量检测技术领域，主营光谱共焦位移传感器、激光位移传感器等高端智能传感器的研发、生产及销售业务。

TS-C系列光谱共焦位移传感器能够实现0.025 m的重复精度，±0.02% of F.S.的线性精度，10kHz的测量速度，以及±60°的测量角度，能够适应镜面、透明、半透明、膜层、金属粗糙面、多层玻璃等材料表面，支持485、USB、以太网、模拟量的数据传输接口。

产品型号支持根据客户需求定制，定制参数范围包括参考距离1~150mm，测量范围0.1~50mm，测量角度±5°~65°，光斑直径1~100 m，横向分辨率0.5~50 m，纵向分辨率4~2000nm，采样频率最高30kHz