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WO1992008102A1 - Anordnung zum messen linearer abmessungen auf einer strukturierten oberfläche eines messobjektes - Google Patents

Anordnung zum messen linearer abmessungen auf einer strukturierten oberfläche eines messobjektes Download PDF

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Publication number
WO1992008102A1
WO1992008102A1 PCT/EP1991/002089 EP9102089W WO9208102A1 WO 1992008102 A1 WO1992008102 A1 WO 1992008102A1 EP 9102089 W EP9102089 W EP 9102089W WO 9208102 A1 WO9208102 A1 WO 9208102A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measuring
resonator
shock absorber
probe tip
oscillator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP1991/002089
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karlheinz Bartzke
Rolf Thiemer
Erhard Mende
Bernhard Retschke
Wolfgang Krausse
Manfred Weihnacht
Günter HELKE
Joachim Heim
Eike Wehrsdorfer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik AG
Original Assignee
Jenoptik Jena GmbH
VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jenoptik Jena GmbH, VEB Carl Zeiss Jena GmbH filed Critical Jenoptik Jena GmbH
Publication of WO1992008102A1 publication Critical patent/WO1992008102A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/28—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/34—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for measuring linear dimensions on a structured surface of a measurement object, in which one is arranged perpendicularly movable relative to the surface of the measurement object
  • - probe tip is coupled to a resonator which is connected to an oscillator circuit, a control circuit also being provided which is connected to actuating elements for the resonator acting perpendicularly to the surface of the test object.
  • the invention is particularly applicable to two-coordinate measuring devices, measuring devices for ultra-precision machining technology, probe cutters, measuring devices for measuring microelectronic semiconductor structures, roughness measuring devices, profile measuring devices and for producing microstructures on surfaces.
  • optical arrangements For the measurement of linear dimensions of semiconductor structures, optical arrangements are known which achieve a linear resolution of approximately 0.7 ⁇ m 0 with the aid of optical imaging systems and optoelectronic receivers.
  • the measuring process takes place in a vacuum, so that the vacuum clamping which is customary for wafers cannot be used, and therefore measurements on wafers with these arrangements can only be carried out to a limited extent.
  • measurement errors arise here due to electron-optical imaging errors (Reimer, L .; Pfefferkorn, G .: "scanning electron microscopy",
  • a control circuit connected to the measuring circuit and an actuating unit carrying the piezo oscillator are used to determine the profile.
  • a disadvantage of this arrangement is that the cube-shaped geometry of the piezo oscillator shown in the measuring arrangement does not produce a harmonic oscillation enables and that the probe needle, which is massive in comparison to the piezo oscillator, dampens the natural resonance of the piezo oscillator.
  • the measurement method used for the resonance frequency difference measurement is slow in time and relatively insensitive and is therefore less suitable as a highly dynamic and at the same time highly sensitive measurement principle (EP 0 290 647).
  • probe cutters which, with a diamond tip as a probe tip, achieve a lateral resolution of 6 nm depending on the probe tip geometry and measuring force.
  • a disadvantage of these conventional stylus devices is that due to dynamic effects, e.g. Jumping the stylus, only low measuring speeds are possible, which require long measuring times.
  • the constant contact of the diamond tip and the surface of the test specimen requires measuring forces of at least 10 N, the traces of injury on the
  • stylus cutters are known, the stylus tip of which is attached to a piezoelectric suttonte crystal with a large piezo effect.
  • the crystal acts as a spiral spring, which generates electrical voltages when the probe tip is moved over the surface of a measurement object, which voltages are further processed to form the measurement value.
  • a disadvantage of these solutions is that only a low measuring speed is possible and that the measuring forces of the probe tip are too great (Perthen, J .: “Checking and measuring the surface shape", Carl Hanser Verlag, Kunststoff, 1949, p.118 -1 1 9).
  • a contact detector for the hardness measurement and as a modification to the surface profile determination, a contact detector is known, in which the contact to the surface is determined by a piezoelectric rod resonator, on the front side of which a probe tip, preferably made of diamond, is attached.
  • the St ⁇ breson ⁇ tor is excited via lateral electrodes by a generator or oscillator in natural resonance.
  • An electronic measuring circuit evaluates the frequency or amplitude changes of the resonator that occur when the probe tip touches the measuring surface as a contact signal
  • connection with an actuator can serve to determine the profile.
  • the disadvantage of this arrangement is that the rod resonator produces high measuring forces and has low resonance frequencies, so that the measuring surface can be damaged and only low measuring speeds can be achieved (WO 89/00672 AI).
  • Another known scanning probe device works according to an impulse scanning method, in which a stylus is raised and lowered in a pulsed manner from the surface of the measurement object. The device works quasi statically. Raising the stylus serves to reduce frictional and tangential forces in the bearing points of the measuring mechanism. In this device it is disadvantageous that the pulse speed is low and that the
  • the invention has for its object to further develop a generic measuring arrangement so that the measuring accuracy is still improved, the measuring speed is increased and the measuring forces are reduced.
  • a shock absorber is provided in an arrangement of the generic type between the probe tip and the resonator, which is connected to a control circuit.
  • the measuring arrangement according to the invention allows the surface of the test object (test object) to be scanned with high frequency using low pressure forces with the aid of a piezoelectric resonator.
  • any suitable material with piezoelectric or electrostrictive properties can be used for the shock absorber. Sputtered and textured zinc oxide, piezoelectric polymer film, lithium niobate and Piezoker ⁇ mik particularly suitable.
  • the resonator is designed as a piezoelectric, prismatic rod oscillator made of quartz, lithium niobate or piezoceramic, on the end of which faces the surface of the measurement object, a shock absorber is attached, the shock absorbers being electrically connected in difference.
  • the advantageous effect of the arrangement according to the invention is based on the fact that when the vibrating probe tip touches the surface to be tested in the shock absorber, electrical measurement pulses are generated in the shock absorber, which form the input variable for the control circuit after amplification.
  • the output signal of the control circuit controls the control elements, which the
  • the shock absorber can have a pressure sensitivity of approx. 10 V / N, so that the contact shocks between the probe tip and the surface of the measurement object cause mechanical effects on the surface which are only a few nanometers.
  • the high resonance of the resonator enables high measuring speeds.
  • Fig. 1 shows a push button with piezoceramic bending plate in a basic representation
  • FIG. 2 shows a pushbutton sensor with rod oscillator made of quartz, likewise in a basic representation.
  • FIG. 1 shows a coarse divider 1 connected in series and fine dividers 2, which are mounted on a frame 3.
  • a piezoceramic bending plate 5 and a shock absorber 6 with a probe tip 7 are attached to the fine adjuster 2 as a resonator via a spacer ring 4.
  • the probe tip 7 is in contact with a surface 8 of a measurement object 9.
  • the bending plate 5 is with an oscillator circuit 10 and the shock absorber
  • a prismatic rod oscillator 13 which is held in the vibration node by means of a flange 13 and is arranged e.g. can consist of piezoceramic, lithium niobate or quartz. It is advisable to orient a rod oscillator 15 made of quartz in such a way that the rod axis is inclined by +71 32 'to the z axis in the yz crystal plane and the excitation electrodes for the oscillation process on the yz side surfaces of the rod
  • the measurement signal is therefore electronically, e.g. obtained from the signal mixture by a filter amplifier.
  • shock absorber 6 not only do the measurement voltages caused by the impact forces arise, but also interference voltages which are caused by the inertial forces of the shock absorber 6 and its probe tip 7 caused by the acceleration of the rod oscillator 14. This one
  • a variant of the interference compensation is to occupy both end faces of the rod transducer 14 by means of a shock absorber 6 with a probe tip 7, one side of the measurement signal acquisition and the other of the St -. _: _ gn ⁇ lkompens ⁇ tion serves.
  • the signals from both shock absorbers are to occupy both end faces of the rod transducer 14 by means of a shock absorber 6 with a probe tip 7, one side of the measurement signal acquisition and the other of the St -. _: _ gn ⁇ lkompens ⁇ tion serves.
  • Suitable test specimen surface elements must be scanned for certain measuring tasks, for which the arrangements according to FIG. 1 or 2 are not applicable.
  • the ends of the rod transducer 14 are pointed according to FIG. 2 or there are passive tips, which in turn are shock absorbers 14 and
  • the resonators are preferably made from sputtered and textured zinc oxide, from piezoelectric polymer film, lithium niobate or piezoceramic and are designed in the form of rod oscillators.
  • Probe tip 7 always have an essentially constant force of about 10 N against the surface 8 of the measurement object (9).

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

Bei einer Anordnung zum Messen linearer Abmessungen auf einer strukturierten Oberfläche (8) eines Meßobjektes (9) ist eine Tastspitze (7) mit einem Resonator (5) gekoppelt, der mit einer Oszillatorschaltung (10) verbunden ist. Ferner ist eine Regelschaltung (12) vorgesehen, die mit senkrecht zur Oberfläche (8) wirkenden Stellelementen (1, 2) für den Resonator (5) verbunden ist, wobei zwischen Tastspitze (7) und Resonator (5) ein Stoßaufnehmer (6) angeordnet ist, der mit einer Regelschaltung (12) in Verbindung steht.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Anordnung zum Messen linearer Abmessungen auf einer strukturierten Oberfläche eines Meßobjektes
10
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen von linearen Abmessungen auf einer strukturierten Oberfläche eines Meßobjektes, bei der eine relativ zur Oberfläche des Meßobjektes senkrecht beweglich angeordnete
, ,- Tastspitze mit einem Resonator gekoppelt ist, der mit einer Oszillator¬ schaltung in Verbindung steht, wobei ferner eine Regelschaltung vorgesehen ist, die mit senkrecht zur Oberfläche des Meßobjektes wirkenden Stell¬ elementen für den Resonator verbunden ist. Die Erfindung ist insbesondere bei Zweikoordinatenmeßgeräten, bei Meßgeräten für die Ultra-Präzisions-Be- Q arbeitungstechnik, bei Tastschnittgeräten, bei Meßgeräten für die Messung von mikroelektronischen Halbleiterstrukturen, bei Rauheitsmeßgeräten, bei Profil¬ meßgeräten und zur Erzeugung von MikroStrukturen auf Oberflächen anwendbar.
5
Stand der Technik
Zur Messung linearer Abmessungen von Halbleiterstrukturen sind optische Anordnungen bekannt, die mit Hilfe von optischen Abbildungssystemen und optoelektronischen Empfängern eine lineare Auflösung von ca. 0,7 μm 0 erreichen.
Eine wesentliche Steigerung der lateralen Auflösung unter 0,7 μm ist wegen des Wellencharakters des Lichtes nicht möglich. Infolge von optischen Beugungserscheinungen, die für jeden Meßpunkt die wirkliche Lage der Strukturkanten verfälschen, entstehen Meßfehler, insbesondere bei der Messung 5 von Strukturbreiten unter 1 μm (vgl. Zeitschrift "Feingerätetechnik" 32 (1 983),
Nr. 9, S. 402-406; Zeitschrift "Technisches Messen" 54 (1987), Nr. 6, S. 243-252; Zeitschrift "Journal für Optik und Feinmechanik" 35 (1988), S. 196-235).
Desweiteren sind elektronenmikroskopische Meßanordnungen bekannt, bei denen die Meßobjekte eine elektrisch leitende Oberflächenschicht aufweisen müssen.
Der Meßvorgang erfolgt im Vakuum, so daß die bei Wafern übliche Vakuum¬ aufspannung nicht anwendbar ist, und damit Messungen an Wafern mit diesen Anordnungen nur eingeschränkt durchführbar sind. Wie bei einer optischen Meßanordnung enstehen auch hier Meßfehler infolge elektronenoptischer Abbildungsfehler (Reimer, L.; Pfefferkorn, G.: "Raster-Elektronenmikroskopie",
Springer-Verlag Berlin, 1 77).
Bei Meßanordnungen, die auf dem Prinzip der Raster-Tunnel-Mikroskopie (STM) oder auf der atomaren Kraft-Mikroskopie (AFM) beruhen, wird eine nanometer- feine Spitze aus Wolfram, Gold, Diamant o.a. im Abstand von wenigen Nanometern über die Prüflingsoberfläche geführt, so daß sich zwischen Spitze und Oberfläche entweder bei einer Spannung von wenigen Millivolt ein Tunnel¬ strom von einigen Nanoamperes ausbildet (STM) oder zwischenatomare Kräfte wirksam werden (AFM), die über einen Abstandsregler konstant gehalten werden. Diese Lösungen haben den Nachteil, daß die Prüflingsoberfläche beim STM wegen des Tunnelstromes elektrisch leitend sein muß.
Die Anordnungen sind so empfindlich, daß nur Flächen von wenigen Mikrometern Größe abgetastet werden können und die Abtastgeschwindigkeiten sehr niedrig sind. Bei diesen Abtastungen entstehen durch die Meßvorgänge auf dem Prüfling Spuren (Proceedings of SPIE, Vol. 897, 1988, S. 8-15;
EP 0 338 083 AI; "Physical Review Letter" 56 (1986) 9, S. 930-933). Zur atomaren Kraft- Mikroskopie (AFM) ist eine Anordnung bekannt, bei der auf einem Piezoschwinger eine Tastnadel befestigt ist, deren Spitze hoch¬ frequent schwingend die Oberfläche des Prüflings antastet. Eine elektrische Meßschaltung ermittelt die Verschiebung der Resonanz¬ frequenz des Piezoschwingers, die durch das Berühren der Prüflingsoberfläche mit der Tastnadel hervorgerufen wird.
Eine mit der Meßschaltung in Verbindung stehende Regelschaltung und eine den Piezoschwinger tragende Stelleinheit dienen der Profilermittlung. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß die in der Meßanordnung gezeigte würfelförmige Geometrie des Piezoschwingers keine harmonische Schwingung ermöglicht und daß die im Vergleich zum Piezoschwinger massereiche Tast¬ nadel die Eigenresonanz des Piezoschwingers dämpft.
Desweiteren ist das angewendete Meßverfahren der Resonanzfrequenzdifferenz- messung zeitlich träge und relativ unempfindlich und deshalb als hoch¬ dynamisches und zugleich hochempfindliches Meßprinzip weniger geeignet (EP 0 290 647).
Zur mechanischen Abtastung von Halbleiterstrukturen und für Rauheits¬ messungen sind Tastschnittgeräte bekannt, die mit einer Diamantspitze als Tastspitze in Abhängigkeit von Tastspitzengeometrie und Meßkraft eine laterale Auflösung von 6 nm erreichen. Nachteilig bei diesen herkömmlichen Tastschnittgeräten ist, daß infolge dynamischer Effekte, z.B. Springen der Tastnadel, nur geringe Meßgeschwindigkeiten möglich sind, die hohe Meßzeiten bedingen. Der ständige Kontakt von Diamantspitze und Prüflingsoberfläche erfordert Meßkräfte von mindestens 10 N, die Verletzungsspuren auf der
Oberfläche des Meßobjektes erzeugen können. (Sonderdruck aus "Kontrolle" 1 1/12, 1 987).
Desweiteren sind Tastschnittgeräte bekannt, deren Tastspitze auf einem piezo¬ elektrischen Seignettekristall mit großer Piezowirkung befestigt ist. Der Kristall wirkt als Biegefeder, die beim Bewegen der Tastspitze über die Ober¬ fläche eines Meßobjektes elektrische Spannungen erzeugt, welche zur Meßwert- gc..-.Innung weiterverarbeitet werden. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, daß nur eine geringe Meßgeschwindigkeit möglich ist und daß die Meßkräfte der Tastspitze zu groß sind (Perthen, J.: "Prüfen und Messen der Oberflächen- gestalt", Carl Hanser Verlag, München, 1949, S. 1 18-1 1 9).
Weiterhin bekannt ist eine Anordnung, bei der zur Rauheitsmessung in einem die Oberfläche mit einer Spitze abtastenden Hebel ein Piezokristall integriert ist, dessen ihn belastenden Meßkräfte zur Signalgewinnung verwertet werden. Nachteilig sind die großen Meßkräfte, die ein Abtasten von Mikrostruktureπ ohne deren Verletzung erschweren und die nur geringen zulässigen
Meßgeschwindigkeiten durch das quasi statische Meßverfahren
(DE 8 600 738.6 Ul ).
Für die Härtemessung und in Abwandlung zur Oberflächenprofilermittlung ist ein Berühruπgsdetektor bekannt, bei dem der Kontakt zur Oberfläche durch einen piezoelektrischen Stabresonator ermittelt wird, auf dessen Stirnseite eine Tastspitze, bevorzugt aus Diamant, befestigt ist. Der Stαbresonαtor wird über seitliche Elektroden von einem Generator oder Oszillator in Eigenresonanz erregt. Eine elektronische Meßschaltung wertet die bei Berührung der Tasfspitze mit der Meßoberfläche auftretenden Frequenz- oder Amplitudenänderungen des Resonators als Kontaktsignal aus, das in
Verbindung mit einem Steller zur Profilermittlung dienen kann. Nachteil dieser Anordnung ist, daß der Stabresonator hohe Meßkräfte bewirkt und niedrige Resonanzfrequenzen aufweist, so daß die Meßoberfläche verletzt werden kann und nur geringe Meßgeschwindigkeiten erzielbar sind (WO 89/00672 AI ). Ein weiteres bekanntes Tastschnittgerät arbeitet nach einem Impulstast¬ verfahren, bei dem eine Tastnadel impulsförmig von der Oberfläche des Meßobjektes angehoben und wieder abgesenkt wird. Das Gerät arbeitet quasi statisch. Das Anheben der Tastnadel dient der Verminderung von Reibkräften und Tangentialkräften in den Lagerstellen des Meßwerkes. Bei diesem Gerät ist es von Nachteil, daß die Impulsgeschwindigkeit gering ist und daß die
Meßkräffe zu hoch liegen (Lehmann, R.: "Leitfaden der Längenmeßtechnik", VEB Verlag, Technik Berlin, 1 60, S. 277).
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Meßanordnung so weiterzuentwickeln, daß die Meßgenauigkeit noch verbessert, die Meßgeschwindigkeit erhöht und die Meßkräfte verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Anordnung der gattungsgemäßen Art zwischen der Tastspitze und dem Resonator ein Stoßaufnehmer vorgesehen ist, der mit einer Regelschaltung in Verbindung steht. Die erfindungsgemäße Meßanordnung gestattet es, die Oberfläche des Prüflings (Meßobjektes) mit geringen Andruckkräften hochfrequent mit Hilfe eines piezo¬ elektrischen Resonators abzutasten.
Für den Stoßaufnehmer kann jedes geeignete Material mit piezoelektrischen oder elektrostriktiven Eigenschaften eingesetzt werden. Hierfür sind wegen des hohen Piezoeffektes und der geringen erforderlichen geometrischen Abmessungen im Bereich von Mikrometern vorzugsweise gesputtertes und texturiertes Zinkoxid, piezoelektrische Polymerfolie, Lithiumniobat und Piezokerαmik besonders geeignet.
Meßtechnisch vorteilhaft ist es, wenn der Resonator als piezoelektrischer, prismatischer Stabschwinger aus Quarz, Lithiumniobat oder Piezokeramik ausgebildet ist, an dessen der Oberfläche des Meßobjektes zugewandter Stirn¬ seite ein Stoßaufnehmer befestigt ist, wobei die Stoßaufnehmer elektrisch in Differenz geschaltet sind.
Die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung beruht darauf, daß bei Berührung der schwingenden Tastspitze mit der zu prüfenden Oberfläche im Stoßaufnehmer infolge der Berührungsstöße elektrische Meßimpulse erzeugt werden, die nach Verstärkung die Eingangsgröße für die Regelschaltung bilden.
Das Ausgangssignal der Regelschaltung steuert- die Stellelemente, welche den
Resonator und die Tastspitze tragen, wobei die Tastspitze so in Kontakt zur Prüflingsoberfläche gebracht wird, daß die Berührungsstöße der Tastspitze stets eine konstante, sehr geringe Kraft in der Größenordnung um 10 N M 2 aufweisen. Der Stoßaufnehmer kann eine Druckempfindlichkeit von ca. 10 V/N aufweisen, so daß die Berührungsstöße zwischen Tastspitze und Oberfläche des Meßobjektes mechanische Einwirkungen auf der Oberfläche hervorrufen, die nur einige Nanometer betragen. Die hohe Eigenresonanz des Resonators ermöglicht große Meßgeschwindigkeiten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Tastsensor mit piezokeramischer Biegeplatte in prinzipieller Darstellung und
Fig. 2 einen Tastsensor mit Stabschwinger aus Quarz, ebenfalls in Prizipdar- stellung.
Ausführliche -Beschreibung der Zeichnungen
Die Anordnung nach Fig. 1 zeigt je einen in Reihe geschalteten Grobsteiler 1 und Feinsteiler 2, die an ein Gestell 3 montiert sind. Am Feinsteller 2 sind als Resonator über einen Distanzring 4 eine piezokeramische Biegeplatte 5 sowie ein Stoßaufnehmer 6 mit einer Tastspitze 7 befestigt. Die Tastspitze 7 steht mit einer Oberfläche 8 eines Meßobjektes 9 in Berührung.
Die Biegeplatte 5 ist mit einer Oszillatorschaltung 10 und der Stoßaufnehmer
6 mit einer Auswerteschaltung 1 1 verbunden, wobei letztere mit einer Regel¬ schaltung 12 in Verbindung steht. Die Ausgänge der Regelschaltung 12 sind mit dem Grobsteller 1 und dem Feinsteller 2 verbunden. Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist als Resonator ein mittels eines Flansches 13 im Schwingungsknoten gehaltener prismatischer Stabschwinger 13 angeordnet, der z.B. aus Piezokeramik, Lithiumniobat oder Quarz bestehen kann. Zweckmäßig ist ein Stabschwinger 15 aus Quarz so zu orientieren, daß die Stabachse um +71 32' zur z-Achse in der yz-Kristallebene geneigt ist und die Erregerelektroden für den Schwingvorgang auf den yz-Seitenflächen des Stabes
14 aufgebracht werden. Dann vollführen die Stirnflächen des Stabes 14 günstige, kolbenförmige Schwingungen. Die elektrischen Zuleitungen für die Meßelektroden des Stoßaufnehmers 6 werden dann ebenfalls günstig über die mit Elektroden nicht belegten Seiten des Stabes 14 zum Flansch 13 geführt.
Durch das zwischen den Erregerelektroden des Stabes 14 bestehende Wechselfeld, das ein Oszillator erzeugt, wird nicht nur der Stab 14 zu Längs¬ schwingungen angeregt, sondern die Meßleifungen werden zusätzlich mit Stör¬ spannungen infolge Induktion beaufschlagt. Das Meßsignal wird deshalb elektronisch, z.B. durch einen Filterverstärker, aus dem Signalgemisch gewonnen.
Im Stoßaufnehmer 6 entstehen nicht nur die durch die Stoßkräfte hervorge¬ rufenen Meßspannungen, sondern auch Störspannungen, die ihre Ursache in den durch die Beschleunigung des Stabschwingers 14 bedingten Massenträgheits- kräften des Stoßaufnehmers 6 und seiner Tastspitze 7 haben. Da diese
Störspannungen linear mit der Eigenmasse von Stoßaufnehmer 6 und Tastspitze
7 und quadratisch mit der Resonanzfrequenz des Stabschwingers 14 zunehmen, sind diese Einflußparameter möglichst klein zu halten bzw. auszulegen.
Eine Variante der Störkompensation besteht darin, beide Stirnseiten des Stabschwingers 14 durch je einen Stoßaufnehmer 6 mit Tastspitze 7 zu belegen, wobei eine Seite der Meßsignalgewinnung und die andere der St -. _:_gnαlkompensαtion dient. Hierzu werden die Signale beider Stoßaufnehmer
6 elektrisch in Differenz geschaltet, so daß sich die Störsignale kompensieren.
Für bestimmte Meßaufgaben müssen geeignete Prüflingsoberflächenelemente abgetastet werden, wofür die Anordnungen nach Fig. 1 oder 2 nicht anwendbar sind. Für diese Fälle werden die Enden des Stabschwingers 14 nach Fig. 2 angespitzt oder es werden passive Spitzen, die ihrerseits Stoßaufnehmer 14 und
Tastspitzen 7 tragen, an ihren Stirnflächen aufgesetzt.
Die Resonatoren werden bevorzugt aus gesputtertem und texturiertem Zinkoxid, aus piezoelektrischer Polymerfolie, Lithiumniobat oder Piezokeramik gefertigt und in Form von Stabschwingern ausgebildet.
Über die Regelschaltung 12 werden die den Resonator und die Tastspitze 7 tragenden Stellelemente 1 und 2 so angesteuert, daß die Berührungsstöße der
Tastspitze 7 gegen die Oberfläche 8 des Meßobjektes (9) stets eine im wesentlichen konstante Kraft von etwa 10 N aufweisen. Der Stoßaufnehmer
2 6 wird mit einer Druckempfindlichkeit von 10 V/N ausgelegt.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum Messen linearer Abmessungen auf einer strukturierten Ober- fläche (8) eines Meßobjektes (9), bei der eine Tastspitze (7), die relativ zur
Oberfläche (8) des Meßobjektes (9) senkrecht beweglich angeordnet ist, mit einem Resonator (5) gekoppelt ist, der mit einer Oszülatorschaltung (10) in Verbindung steht, und bei der eine Regelschaltung (12) vorgesehen ist, die mit senkrecht zur Oberfläche (8) wirkenden Stellelementen für den Resonator (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Tastspitze (7) und
Resonator (5) ein Stoßaufnehmer (6) angeordnet ist, der mit der Regel¬ schaltung (12) in Verbindung steht.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrischer oder ein elektrostriktiver oder ein magnetostriktiver
Stoßaufnehmer (6) vorgesehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (5) als piezoelektrischer, prismatischer Stabschwinger aus Quarz oder Piezokeramik ausgebildet ist, an dessen der Oberfläche (8) des
Meßobjektes (9) zugewandter Stirnseite ein Stoßaufnehmer (6) und an dessen anderer Stirnseite ein zweiter Stoßaufnehmer befestigt ist, wobei die Stoßfaufnehmer elektrisch in Differenz geschaltet sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßaufnehmer (6) aus gesputtertem und texturiertem Zinkoxid oder aus piezoelektrischer Polymerfolie oder aus Lithiumniobt oder aus Piezokeramik besteht.
PCT/EP1991/002089 1990-11-05 1991-11-05 Anordnung zum messen linearer abmessungen auf einer strukturierten oberfläche eines messobjektes Ceased WO1992008102A1 (de)

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