用于测量抛光垫中的湿度的湿度传感器、抛光装置和方法

1.本发明涉及一种根据所附独立权利要求的前序部分的用于测量抛光垫中的湿度的湿度传感器和方法。本发明还涉及一种包含湿度传感器的抛光装置。


背景技术：

2.抛光悬浮液通常用于样品的抛光，以提高抛光效果并且防止抛光垫过热。抛光垫中抛光悬浮液的量(即抛光垫的含水量)对抛光过程有很大的影响。如果抛光垫太湿，样品与抛光垫之间的摩擦可能很小，以至于样品几乎无法被抛光。另一方面，如果抛光垫太干，则存在样品由于样品与抛光垫之间的摩擦增加而严重劣化的风险。
3.鉴于上述情况，存在测量抛光垫中的湿度的需要。已知各种湿度传感器，但是它们都不适合于容易且准确地测量抛光垫中的湿度。


技术实现要素：

4.本发明的目的
5.本发明的主要目的是减少或甚至消除上述现有技术的问题。
6.本发明的目的是提供一种湿度传感器。更详细地说，本发明的目的是提供一种能够容易且准确地测量抛光垫中的湿度的湿度传感器。本发明的另一个目的是提供一种抛光装置，其中，可以在抛光过程中测量抛光垫的湿度。本发明的另一个目的是提供一种容易且准确地测量抛光垫中的湿度的方法。
7.为了实现上述目的，根据本发明的湿度传感器和方法的特征在于所附独立权利要求的特征部分中呈现的内容。在从属权利要求中描述了本发明的有利实施方式。
8.本发明的描述
9.根据本发明的湿度传感器包括：接触表面，用于接触抛光垫；以及彼此电隔离的第一电接触元件、第二电接触元件和第三电接触元件，电接触元件设置在湿度传感器内，使得电接触元件暴露在接触表面处。
10.根据本发明的湿度传感器可以用于测量用于抛光样品的抛光垫中的湿度。为了测量，接触表面和其中的电接触元件布置为与抛光垫的表面接触。该测量基于测量随抛光垫中的湿度而变化的物理量。这样的物理量例如是第一电接触元件与抛光垫所附接的抛光台之间的电容，即抛光垫的相对侧之间的电容。另一个这样的物理量是当第二电接触元件和第三电接触元件与抛光垫的表面接触时它们之间的(电)阻抗。
11.接触表面优选地是平面的，使得电接触元件可以容易地布置为与抛光垫的表面接触。优选地，接触表面也是圆形的，这样可以确保湿度传感器在抛光垫的表面上的平滑滑动。平面和圆形的接触表面的直径可以是例如10-50mm或15-25mm。湿度传感器的尺寸可以取决于例如抛光垫的直径、抛光垫的材料、抛光垫的结构、使用的抛光悬浮液的成分、抛光样品的特征、所需的测量精度和/或所需的测量范围。如果抛光垫的表面粗糙或不平，则具有略微凸出的接触表面可能是有益的。
12.电接触元件(即电极)提供可以通过其测量抛光垫的电特性的电通路。电接触元件可以具有不同的形状和尺寸。电接触元件由导电材料制成，该材料还优选地是耐磨且耐腐蚀的。电接触元件的优选材料例如是钢和金铂合金。电接触元件彼此电隔离，以防止短路。
13.湿度传感器可以包括壳体，电接触元件布置在该壳体内。壳体可以由耐磨且耐腐蚀的陶瓷或金属或其他合适的材料制成。壳体可以填充有诸如环氧树脂的电绝缘材料，或者电绝缘材料可以由耐磨陶瓷制成，例如立方氮化硼(cbn)或碳化硼(b4c)，其将电接触元件彼此电隔离。壳体可以是中空圆柱体，其一端用作接触表面。中空圆柱体的直径可以是例如10-50mm或15-25mm，中空圆柱体的高度可以是例如10-20mm、5-10mm或1-5mm。
14.湿度传感器可以通过诸如电线、电缆或碳刷的电连接件与测量仪器电连接。测量仪器可以构造为测量第一电接触元件与抛光垫所附接的抛光台之间的电容和/或当第二电接触元件和第三电接触元与抛光垫的表面接触时第二电接触元件和第三电接触元件之间的电阻。电容和电阻的值取决于抛光垫中的湿度。抛光垫越湿，电容越大，电阻越小。
15.根据本发明的湿度传感器的优点在于，可以容易且准确地测量抛光垫中的湿度。
16.根据本发明的实施方式，第一电接触元件是圆柱体，第二电接触元件和第三电接触元件是围绕第一电接触元件同心布置的中空圆柱体。第三电接触元件围绕第二电接触元件布置。电接触元件以它们的轴线垂直于接触表面的平面的方式布置在湿度传感器内部。第一电接触元件可以通过从圆杆切割一段而制成。第二电接触元件和第三电接触元件可以通过从具有不同直径的管切割部分而制成。根据该实施方式的湿度传感器可以以将电接触元件嵌入到诸如环氧树脂的电绝缘材料中的方式来制造。硬化材料将电接触元件彼此电隔离，并且其还用作电接触元件的支撑结构。湿度传感器可以包括诸如中空圆柱体的壳体，电接触元件布置在壳体内部。根据本实施方式的湿度传感器的优点在于，其便宜且易于制造。
17.根据本发明的实施方式，第一电接触元件的直径小于50mm，第二电接触元件和第三电接触元件的壁厚小于10mm。第一电接触元件的直径优选地小于35mm、更优选地小于20mm。第二电接触元件和第三电接触元件的壁厚优选地小于5mm、更优选地小于2mm。使用这些度量单位的优点在于，湿度传感器提供了良好的测量灵敏度和准确度。电接触元件的高度可以是例如5-20mm。湿度传感器在使用中会磨损，因此增加传感器高度可以延长工作寿命。
18.根据本发明的实施方式，第一电接触元件的壁和第二电接触元件的内壁之间的间隙小于10mm，并且第二电接触元件的外壁和第三电接触元件的内壁之间的间隙小于10mm。第一电接触元件的壁和第二电接触元件的内壁之间的间隙优选地小于5mm、更优选地小于2mm。第二电接触元件的外壁和第三电接触元件的内壁之间的间隙优选小于5mm、更优选小于2mm。使用这些度量单位的优点在于，湿度传感器提供了良好的测量灵敏度。
19.根据本发明的实施方式，第一电接触元件是具有开口的平板，第二电接触元件和第三电接触元件布置在该开口中。平板以这样的方式布置在湿度传感器内部，即，使得平板的一侧暴露在接触表面处并且平板的平面与接触表面的平面平行。平板可以是圆形的并且具有15-50mm的直径。平板中的开口可以是圆形的并且具有5-20mm的直径。平板的厚度可以为5-20mm。在该实施方式中，第二电接触元件和第三电接触元件可以具有不同的形状和尺寸，只要它们装配在开口内而不接触平板。第二电接触元件和第三电接触元件可以是例如圆柱体。根据该实施方式的湿度传感器可以以将电接触元件嵌入到诸如环氧树脂的电绝缘
材料中的方式来制造。硬化材料将电接触元件彼此电隔离，并且它还用作电接触元件的支撑结构。湿度传感器可以包括壳体，例如中空圆柱体，电接触元件布置在该壳体内。根据本实施方式的湿度传感器的优点在于，其机械强度高、价格便宜且易于生产。
20.根据本发明的实施方式，第一电接触元件、第二电接触元件和第三电接触元件是彼此缠绕以形成卷的金属片，其中，金属片中的每个布置在电绝缘片之间。优选地，卷浸渍有环氧树脂。硬化环氧树脂将电接触元件彼此电隔离，并且它还用作电接触元件的支撑结构。卷以卷的一端暴露在接触表面处的方式布置在湿度传感器内。卷的轴线垂直于接触表面的平面。金属片可以由例如铝、钢、铜或铂金合金制成。电绝缘片可以由例如玻璃纤维、布或纸制成。根据本实施方式的湿度传感器的优点在于，它生产起来容易且便宜。
21.根据本发明的实施方式，金属片的厚度小于1mm，电绝缘片的厚度小于1mm。优选地，金属片的厚度小于0.1mm，电绝缘片的厚度小于0.1mm。使用这些度量单位的优点在于，湿度传感器提供了良好的测量灵敏度。
22.根据本发明的实施方式，湿度传感器包括：第四电接触元件，该第四电接触元件是围绕卷同心布置的中空圆柱体；以及第五电接触元件，该第五电接触元件是围绕第四电接触元件同心布置的中空圆柱体，第四电接触元件和第五电接触元件彼此电隔离。当第四电接触元件和第五电接触元件与抛光垫表面接触时，可以使用测量仪器测量它们之间的电阻。第四电接触元件和第五电接触元件以它们的轴线垂直于接触表面的平面的方式布置在湿度传感器内。第四电接触元件和第五电接触元件可以通过从具有不同直径的管切割部分而制成。第四电接触元件和第五电接触元件可以嵌入到诸如环氧树脂的电绝缘材料中。硬化材料将第四电接触元件和第五电接触元件彼此电隔离，并且其还起到支撑结构的作用。第四电接触元件和第五电接触元件的壁厚可以小于10mm、优选地小于5mm、更优选地小于2mm。第四电接触元件的外壁与第五电接触元件的内壁之间的间隙可以小于10mm、优选地小于5mm、更优选地小于2mm。根据该实施方式的湿度传感器的优点在于，可以利用具有不同尺寸的不同组电接触元件同时测量抛光垫的电阻和电容。这使用户能够为样品、抛光垫和抛光悬浮液的不同组合选择最佳的湿度监测方法。
23.根据本发明的实施方式，接触表面是平面的。平面接触表面的优点在于，其能够容易地将电接触元件布置为与抛光垫的表面接触。
24.本发明还涉及一种抛光装置。根据本发明的抛光装置包括：抛光台，可围绕轴线旋转；抛光垫，附接到抛光台以用于抛光样品；根据本发明的湿度传感器，湿度传感器的接触表面布置为接触抛光垫的表面；以及用于测量第一电接触元件和抛光台之间的电容以及第二电接触元件和第三电接触元件之间的电阻的装置。
25.根据本发明的抛光装置可以用于抛光固体材料的样品(即，物体)，诸如一块天然的(例如，岩石、矿物、矿石或陨石)或人造的(例如金属、混凝土、陶瓷、复合材料或半导体)材料。待抛光的样品可以用样品保持件保持在抛光垫的表面上。样品保持件可以构造为将一个或多个样品保持在抛光垫上。样本保持件可以包括例如一个或多个插入件，样本通过夹持固定在该插入件中。样品保持件可以附接到抛光头，该抛光头以可调节的压力将样品压在抛光垫上。
26.抛光垫可以由不同的材料制成，诸如纤维布(例如，真丝、聚酯或醋酸纤维)或合成非纤维(例如，氯丁橡胶、聚氨酯或复合材料)材料。抛光垫优选地是圆盘形的，即，其具有平
坦的圆形。抛光垫优选地是多孔的，使其能够吸收抛光悬浮液。抛光垫的直径可以例如小于500mm、优选地200-400mm。抛光垫的厚度例如可以小于5.0mm、优选地0.5-3.5mm、更优选地1.0-3.0mm。
27.抛光垫优选地可释放地附接到可旋转抛光台的表面。当抛光台旋转时，抛光垫对布置在其表面上的样品进行抛光。抛光台可以由诸如铝、青铜或不锈钢的导热且耐腐蚀材料制成，或者由塑料、聚合物或复合材料制成。抛光台可以在其表面上包括电绝缘的电接触元件(例如，由奥氏体不锈钢制成并且具有约0.5mm的厚度的片材)，测量仪器的电接触元件(例如，碳刷)可以电连接到该电接触元件。抛光台优选地是盘形并且是导热的。抛光台的直径可以例如小于500mm、优选地为200-400mm。优选地，抛光台和抛光垫的直径基本相同。抛光台的厚度可以是例如20-50mm。抛光台的最佳厚度取决于抛光台的直径和材料。
28.抛光装置可以包括用于使抛光台旋转的致动器，诸如电动机。致动器可以构造为使抛光台例如以0-600rpm的转速旋转。为了减少由致动器引起的可能干扰，在抛光台和致动器之间添加电绝缘层可能是有益的。
29.除了抛光台，样品保持件也可以旋转。样品保持件可以围绕与抛光台的旋转轴线平行的轴线旋转。抛光装置可以包括用于使样品保持件旋转的致动器，诸如电动机。致动器可以构造为使样品保持件例如以0-150rpm的转速旋转。
30.在根据本发明的抛光装置中，湿度传感器的电接触元件布置为与抛光垫的表面接触。抛光垫中的湿度通过测量第一电接触元件和抛光台之间的电容或第二电接触元件和第三电接触元件之间的电阻来确定。用于测量电容和电阻的装置可以包括测量仪器，该测量仪器通过诸如电线、电缆或碳刷的电连接件与湿度传感器的电接触元件和抛光台电连接。抛光台可以包括在其表面上的电接触元件，测量仪器电连接到该电接触元件。测量仪器可以测量第一电接触元件与抛光台之间的电容(即，抛光垫的相对侧之间的电容)以及第二电接触元件与第三电接触元件之间的电阻。电容值和电阻值取决于抛光垫中的湿度。抛光垫越湿，电容越大，电阻越小。
31.根据本发明的抛光装置的优点在于，在抛光过程中可以容易且准确地测量抛光垫中的湿度。
32.根据本发明的实施方式，抛光装置包括用于使湿度传感器在抛光垫上的多个位置之间移动的装置。用于使湿度传感器移动的装置构造为使湿度传感器沿着抛光垫的表面移动。用于使湿度传感器移动的装置可以包括布置在抛光垫上方的臂和用于使湿度传感器沿着臂移动的致动器。臂优选地是直的，并且其纵向轴线布置为平行于抛光垫的平面。臂优选地以其从抛光垫的中心延伸到周边的方式布置在抛光垫上方。这使得湿度传感器能够在抛光台旋转时移动到抛光垫上的所有可能位置。致动器可以是电动机。用于使湿度传感器移动的装置可以是构造为将湿度传感器保持在抛光垫上的样品保持件。样品保持件可以包括例如插入件，在该插入件中，湿度传感器可以自由移动或通过夹持固定。湿度传感器可以包括用于与远程装置通信的无线发射器或收发器，诸如测量仪器和/或控制喷嘴的控制单元。
33.根据本发明的实施方式，抛光装置包括用于基于测量的电容或电阻的值将抛光悬浮液分配在抛光垫上的装置。抛光悬浮液增强抛光作用并且防止在抛光过程中过热。抛光悬浮液包含水和/或其他合适的液体，诸如用于润湿、冷却和润滑抛光垫的醇类(例如，乙醇、乙二醇或异丙醇)。抛光悬浮液还可以包含诸如金刚石、氧化铝或胶体二氧化硅的磨粒，
以用于抛光样品表面。通常，抛光悬浮液(即，浆体或流体)是液体和磨料的混合物。用于分配抛光悬浮液的装置可以构造为，例如，如果在抛光垫上的一位置电阻值大于第一阈值，或者如果在该位置电阻值小于第二阈值，则将抛光悬浮液分配到该位置。
34.用于分配抛光悬浮液的装置可以包括布置在抛光垫上方的喷嘴和用于使喷嘴在抛光垫上的多个位置之间移动的装置。用于使喷嘴移动的装置可以包括布置在抛光垫上方的臂和用于使喷嘴沿着臂移动的致动器。臂优选地是直的，并且其纵向轴线布置为平行于抛光垫的平面。臂优选地以其从抛光垫的中心延伸到周边的方式布置在抛光垫上方。这使得喷嘴能够在抛光台旋转时移动到抛光垫上的所有可能位置。致动器可以是电动机。用于使喷嘴移动的装置可以是喷嘴所附接的样品保持件。
35.用于分配抛光悬浮液的装置可以包括用于抛光悬浮液的容器。容器可以通过柔性软管连接到喷嘴。
36.用于分配抛光悬浮液的装置可以包括用于控制喷嘴和致动器的控制单元。控制单元可以包括处理器和包括计算机程序代码的存储器，存储器和计算机程序代码被配置为与处理器一起使喷嘴将适量的抛光悬浮液分配到抛光垫上的多个位置。可以基于测量的电容或电阻的值来确定待分配到每个位置的抛光悬浮液的量。测量的电容或电阻的值可以与预定义的参考值或曲线进行比较，以确定待分配的抛光悬浮液的量。预定义的参考值或曲线对应于抛光垫中所需的湿度水平。分配到抛光垫上的每个位置的抛光悬浮液的量可以是例如小于5μl/cm2、小于2μl/cm2或0.5-2μl/cm2。
37.根据本发明的实施方式，抛光装置包括用于将湿度传感器压在抛光垫表面上的压缩元件。压缩元件能够以合适的压力保持传感器与抛光垫的表面接触。压缩元件的压力可以是可调节的。压缩元件例如可以是弹簧。压缩元件可以利用气压、重力或磁力或电磁力来产生合适的压力。
38.根据本发明的实施方式，抛光装置包括用于冷却抛光台的装置。可以通过在抛光台的底侧上喷水来冷却抛光台。抛光装置可以包括防溅装置，以防止冷却水雾溢出到抛光垫上。防溅装置可以由例如塑料制成。
39.根据本发明的实施方式，抛光装置包括用于从抛光垫蒸发抛光悬浮液的装置。可以利用压缩空气流将抛光悬浮液蒸发到抛光垫上的所需位置。
40.本发明还涉及一种用于测量附接到抛光台的抛光垫中的湿度的方法。根据本发明的方法包括：将根据本发明的湿度传感器的接触表面布置为与抛光垫的表面接触，以及测量第一电接触元件和抛光台之间的电容和/或第二电接触元件和第三电接触元件之间的电阻。
41.根据本发明的方法的优点在于，可以容易且准确地测量抛光垫中的湿度。
42.在本文中呈现的本发明的示例性实施方式不应被解释为对所附权利要求的适用性构成限制。动词“包括”在本文中用作开放限制，不排除也存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。
43.在本文中呈现的示例性实施方式及其优点以适用的部件涉及湿度传感器、抛光装置以及根据本发明的方法，但是这并不总是单独提及。
附图说明
44.图1示出了根据本发明的第一实施方式的湿度传感器，
45.图2示出了根据本发明的第二实施方式的湿度传感器，
46.图3示出了根据本发明的第三实施方式的湿度传感器，
47.图4示出了根据本发明的第四实施方式的湿度传感器，以及
48.图5示出了根据本发明的实施方式的抛光装置。
具体实施方式
49.在不同的实施方式中，相同或相似的部件使用相同的附图标记。
50.图1示出了根据本发明的第一实施方式的用于测量抛光垫(图1中未示出)中的湿度的湿度传感器。湿度传感器100包括电接触元件101、102和103，这些电接触元件以其暴露在湿度传感器100的接触表面105处的方式布置在圆柱形壳体104内。电接触元件101、102和103彼此电隔离，并且它们提供了通过其可以测量抛光垫的电性能的电通路。为了测量，接触表面105和其中的电接触元件101、102和103布置为与抛光垫的表面接触。测量基于测量随抛光垫中的湿度而变化的物理量。
51.湿度传感器100包括用于将电接触元件101、102和103电连接到测量仪器(图1中未示出)的多线电缆106。测量仪器可以构造为测量电接触元件101和抛光垫所附接的抛光台(图1中未示出)之间的电容、和/或当电接触元件102和103与抛光垫的表面接触时电接触元件之间的电阻。
52.在图1中，电接触元件101为圆柱体，电接触元件102和103为中空圆柱体。电接触元件102和103围绕电接触元件101同心地布置。电接触元件101、102和103以使得它们的轴线垂直于接触表面105的平面的方式布置在湿度传感器100内部。
53.图2示出了根据本发明的第二实施方式的用于测量抛光垫(图2中未示出)中的湿度的湿度传感器。图2的湿度传感器与图1的湿度传感器的不同之处在于，电接触元件101、102和103不同。在图2中，电接触元件101是具有圆形开口的圆形平板，电接触元件102和103布置在该圆形开口中。电接触元件101以这样的方式布置在湿度传感器100内部，即，使得圆形平板的一侧暴露在接触表面105处并且圆形平板的平面平行于接触表面105的平面。电接触元件102和103是圆柱体。
54.图3示出了根据本发明的第三实施方式的用于测量抛光垫(图3中未示出)中的湿度的湿度传感器。图3的湿度传感器与图1的湿度传感器的不同之处在于，电接触元件101、102和103不同。在图3中，电接触元件101、102和103是相互缠绕以形成卷的金属片，其中，金属片中的每个布置在电绝缘片之间(图3中未示出)。卷以使得卷的一端暴露在接触表面105处的方式布置在湿度传感器100内。卷的轴线垂直于接触表面105的平面。
55.图4示出了根据本发明的第四实施方式的用于测量抛光垫(图4中未示出)中的湿度的湿度传感器。图4的湿度传感器与图3的湿度传感器的不同之处在于，湿度传感器100还包括两个附加的电接触元件401和402。电接触元件401是围绕卷同心布置的中空圆柱体。电接触元件402是围绕电接触元件401同心布置的中空圆柱体。电接触元件401和402彼此电隔离。当电接触元件401和402与抛光垫的表面接触时，测量仪器(图4中未示出)可以构造为测量它们之间的电阻。电接触元件401和402以它们的轴线垂直于接触表面105的平面的方式
布置在湿度传感器100内。
56.图5示出了根据本发明的实施方式的抛光装置。抛光装置包括抛光台501，该抛光台可以通过致动器502围绕轴线旋转。抛光垫503附接到抛光台501。抛光垫503用于抛光通过样品保持件505保持在抛光垫503上的样品504。样品保持件505可以通过致动器506围绕与抛光台501的旋转轴线平行的轴线旋转。随着抛光台501和样品保持件505的旋转，抛光垫503抛光样品504。
57.抛光装置包括根据图1的用于检测抛光垫503中的湿度的湿度传感器。湿度传感器100包括电接触元件101、102和103，这些电接触元件布置为与抛光垫503的表面接触。电接触元件101、102和103通过多线电缆106电连接到测量仪器507。测量仪器507可以测量电接触元件102和103之间的电阻、以及电接触元件101和抛光台501之间(即抛光垫503的相对侧之间)的电容。电接触元件102和103之间的电阻以及电接触元件101和抛光台501之间的电容指示抛光垫503上的测量位置的湿度。
58.湿度传感器100通过杆508附接到位于抛光垫503上方的臂509。臂509从抛光垫503的中心延伸到周边。湿度传感器100可以通过致动器510沿着臂509移动，从而使得湿度传感器100能够在抛光垫503上的不同位置之间移动。杆508设置有用于将湿度传感器100压在抛光垫503的表面上的弹簧511。弹簧511能够以适当的压力保持电接触元件101、102和103与抛光垫503的表面接触。
59.抛光装置包括用于在抛光垫503上分配抛光悬浮液的喷嘴512。喷嘴512附接到位于抛光垫503上方的臂513。臂513从抛光垫503的中心延伸到周边。喷嘴512可以通过致动器514沿着臂513移动，从而使得喷嘴512能够在抛光垫503上方的不同位置之间移动。
60.抛光悬浮液储存在容器515中，通过柔性软管516将抛光悬浮液从该容器输送到喷嘴512，以分配到抛光垫503上。抛光装置包括用于控制抛光悬浮液的分配的控制单元517。控制单元517控制喷嘴512，以将适量的抛光悬浮液分配到抛光垫503上的期望位置。待分配到每个位置的抛光悬浮液的量基于每个位置上所确定的湿度或摩擦来确定。
61.在附图中仅描述了本发明的有利示例性实施方式。本领域技术人员清楚的是，本发明不仅限于上述示例，而是本发明可以在下文提出的权利要求的范围内变化。在从属权利要求中描述了本发明的一些可能的实施方式，它们不应被视为限制本发明的保护范围。