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基于干涉原理的微纳米测量系统研究

基于干涉原理的微纳米测量系统研究

作者：李昭莹北京交通大学

学位级别：硕士

本文首先提出了一种新型的光纤干涉测量系统,它基于迈克尔逊干涉仪的测量原理,能够对微纳米表面进行远程精密测量。系统中包含两个光纤干涉仪,其中一个作为传感干涉仪用来远程感应被测物理量;另一个作为解调干涉仪,解调被测量。利用光... 详细信息

本文首先提出了一种新型的光纤干涉测量系统,它基于迈克尔逊干涉仪的测量原理,能够对微纳米表面进行远程精密测量。系统中包含两个光纤干涉仪,其中一个作为传感干涉仪用来远程感应被测物理量;另一个作为解调干涉仪,解调被测量。利用光纤布拉格光栅作为反射镜,使解调干涉仪同时工作在高相干和低相干状态,利用高相干干涉信号决定测量精度;利用低相干干涉信号决定被测物理量的幅值,实现绝对测量,且使测量量程突破半波长的限制。对于微表面3D形貌测量,点扫描测量模式需要进行二维扫描,测量速度较慢、扫描机构复杂等不足,我们研究了一种光线扫描的微纳米表面3D形貌测量系统。利用闪耀光栅的分色原理,将光纤迈克尔逊干涉仪传感臂出射的平行光色散成波长在空间连续排列的扇形光片,再经平柱透镜汇聚成极薄的平行光片后垂直照射在被测表面,由被测表面将不同波长的光反射,与参考光干涉后,由高速线阵CCD探测,采集到的数据导入matlab程序中进行计算得到被测表面高度差。由于采用线扫描的测量方式,只需一维扫描即可完成三维测量。

关键词：干涉测量微纳米测量低相干干涉

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1维微纳米周期结构的散射测量建模

激光技术 2016年第2期40卷 250-253页

作者：尚海党学明合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥230009

为了研究散射测量的正向测量依据,采用严格耦合波分析理论,对1维矩形面型周期性结构衍射建模,在MATLAB环境下实现严格耦合波分析算法,并讨论了1维周期结构高度、线宽和占空比的测量特性,理论上线宽的测量可以达到纳米级分辨率。结果表明... 详细信息

为了研究散射测量的正向测量依据,采用严格耦合波分析理论,对1维矩形面型周期性结构衍射建模,在MATLAB环境下实现严格耦合波分析算法,并讨论了1维周期结构高度、线宽和占空比的测量特性,理论上线宽的测量可以达到纳米级分辨率。结果表明,严格耦合波分析理论精确和高效,对1维微纳米周期结构表现出了良好的测量特性。这为散射测量提供了科学性和可行性依据。

关键词：散射微纳米测量严格耦合波分析光栅

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微纳米尺寸测量技术

实用测试技术 1999年第1期25卷 15-17,37页

作者：李成贵赵清亮董申哈尔滨工业大学精密工程研究所 150001

随着精密和超精密加工技术的迅速发展，亚微米和纳米级的测量方法不断出现，本文对近年几种常见的微纳米计量技术的基本测量原理和方法作了简单的介绍。

关键词：尺寸测量微纳米测量扫描隧道显微镜激光

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基于纳米测量机的微结构三维坐标测量

光学精密工程 2020年第10期28卷 2252-2259页

作者：吴俊杰李源上海市计量测试技术研究院机械与制造计量技术研究所上海201203

针对当前微纳米测量中存在的微结构跨尺度、高精度测量及高深宽比结构多参数表征问题,基于纳米测量机和微接触测头构建了纳米坐标测量系统。通过对测头与定位平台机械、电气及软件接口的设计,实现测头与平台的集成,并利用标准球对测量... 详细信息

针对当前微纳米测量中存在的微结构跨尺度、高精度测量及高深宽比结构多参数表征问题,基于纳米测量机和微接触测头构建了纳米坐标测量系统。通过对测头与定位平台机械、电气及软件接口的设计,实现测头与平台的集成,并利用标准球对测量系统进行校准。为保证测量结果的可溯源性,对定位平台三轴激光干涉仪的激光器进行了拍频。最后,利用搭建的测量系统对高度10μm,2 mm的超高台阶及硅臂卡爪的侧壁倾角进行了测量,表明系统具备大尺寸结构的高精度测量和复杂MEMS器件特征尺寸的精确表征能力。

关键词：微纳米测量纳米测量机三维微接触测头高深宽比侧壁倾角

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微纳测量机测头弹性结构的参数设计

光学精密工程 2013年第10期21卷 2587-2593页

作者：陈晓怀陈贺王珊李瑞君高伟合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥230009

根据微纳米三坐标测量机对测头各项指标的要求,提出了4种测头弹性结构的设计方案。通过力学分析建立测头弹性结构三维刚度模型,应用有限元分析软件ANSYS分别对4种弹性结构的刚度进行仿真计算;然后,分析讨论了4种弹性结构的性能特点。综... 详细信息

根据微纳米三坐标测量机对测头各项指标的要求,提出了4种测头弹性结构的设计方案。通过力学分析建立测头弹性结构三维刚度模型,应用有限元分析软件ANSYS分别对4种弹性结构的刚度进行仿真计算;然后,分析讨论了4种弹性结构的性能特点。综合考虑测量刚度、灵敏性及结构紧凑稳定等多种因素,选择十字型结构作为微纳米测量机测头的弹性结构,并对其进行了结构参数的优化和测头刚度各向同性设计。搭建了高精度三维微位移测试平台,对测头的测量范围、线性、位移误差进行了实验验证。仿真分析和实验结果表明,测头的弹性结构满足测量范围40μm×40μm×20μm、测量刚度小于0.5mN/μm及刚度各向同性的要求,整体测量误差小于100nm。

关键词：坐标测量机微纳米测量接触扫描测头弹性结构设计有限元分析

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纳米级Z轴坐标测量系统设计与实验

农业机械学报 2017年第11期48卷 417-422页

作者：冯旭刚冯同磊章家岩徐驰费业泰张鹏安徽工业大学电气与信息工程学院马鞍山243032 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥230009 安徽工业大学机械工程学院马鞍山243032

基于最小化阿贝误差的理念,设计了带有重力补偿器的整体结构对称的Z轴测量平台,其次,使用扫面静电力显微镜组成配套的探针系统,最后,对设计的核心内容分两组进行分离测试以验证设计的合理性与有效性。测试首先验证了测量系统分别在静态... 详细信息

基于最小化阿贝误差的理念,设计了带有重力补偿器的整体结构对称的Z轴测量平台,其次,使用扫面静电力显微镜组成配套的探针系统,最后,对设计的核心内容分两组进行分离测试以验证设计的合理性与有效性。测试首先验证了测量系统分别在静态和动态下重力补偿器的可行性,然后验证经过双高度法补偿后的扫描静电力显微镜探针系统的有效性,实验结果表明,设计的纳米级Z轴坐标测量系统可实现超高精度空间分辨率,具有50 mm的有效行程范围,同时具有对部分非导体的测量能力,使得微纳米测量机的适用范围得到延伸,具有较高的应用价值。

关键词：微纳米测量重力补偿器扫描静电力显微镜探针系统双高度法

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接触测量中的微探球力变形研究

中国机械工程 2014年第14期25卷 1926-1929页

作者：李志渤黄强先赵剑尤焕杰程真英合肥工业大学合肥230009

随着微纳米测量系统中测头微探球尺寸的不断减小和测量不确定度要求的不断提高,测力所引起的力变形误差对测量系统不确定度有着不可忽略的影响。根据Hertz理论,构建了微探球与工件接触时的接触模型、微探球与试样力变形模型,给出了最大... 详细信息

随着微纳米测量系统中测头微探球尺寸的不断减小和测量不确定度要求的不断提高,测力所引起的力变形误差对测量系统不确定度有着不可忽略的影响。根据Hertz理论,构建了微探球与工件接触时的接触模型、微探球与试样力变形模型,给出了最大允许测力估计方法和力变形计算方法。以现有的3种微纳米三坐标测量机微探球为参考,分别估计了允许最大测力及引起的力变形。结果表明,对于纳米量级测量不确定要求,接触式测量中微探球的受力变形误差是不可忽略的。

关键词：微探球力变形微纳米测量接触测量

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白光干涉测量系统的测量不确定度评定

计量学报 2021年第6期42卷 731-737页

作者：蔡潇雨魏佳斯孙恺欣刘娜张学典庄松林上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093 上海市计量测试技术研究院上海201203 上海计测信息科技有限公司上海200234

白光干涉测量系统(white-light interference system,WLIS)广泛用于微纳米表面形貌的精密测量,其测量不确定度评定是研究白光干涉测量系统计量特性的一项重要工作。基于微纳米线间隔和台阶,建立了WLIS测量表面形貌时的测量模型,明确了... 详细信息

白光干涉测量系统(white-light interference system,WLIS)广泛用于微纳米表面形貌的精密测量,其测量不确定度评定是研究白光干涉测量系统计量特性的一项重要工作。基于微纳米线间隔和台阶,建立了WLIS测量表面形貌时的测量模型,明确了测量不确定度来源;以5000 nm的线间隔和180 nm的台阶高度为例,利用WLIS进行了测量,并分析WLIS的测量重复性、光学组件特性、传感器特性、运动模块性能、测试方法及环境等因素产生的不确定度分量,最终评定该WLIS测量线间隔和台阶高度的合成测量不确定度分别为21 nm和0.4 nm。对WLIS的不确定度评定确保了其测量结果的准确性、溯源性,并提出了提高系统整体计量特性的途径。

关键词：计量学表面形貌测量微纳米测量白光干涉线间隔台阶高度不确定度

基于SIFT图像拼接算法的标准样板测量技术

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微纳电子技术 2019年第1期56卷 71-77页

作者：程纪榕赵军蔡潇雨邵力中国计量大学杭州310018 上海市计量测试技术研究院上海201203

为了在使用高倍物镜测量标准样板时获得高分辨率的样本整体区域信息,提出了一种基于尺度不变特征变换(SIFT)图像拼接算法的标准样板测量技术。首先通过高倍物镜获取局部三维结构,将其转化为二维灰度图像;然后采用SIFT和RANSAC算法得到... 详细信息

为了在使用高倍物镜测量标准样板时获得高分辨率的样本整体区域信息,提出了一种基于尺度不变特征变换(SIFT)图像拼接算法的标准样板测量技术。首先通过高倍物镜获取局部三维结构,将其转化为二维灰度图像;然后采用SIFT和RANSAC算法得到准确的特征点;最后采用加权平均融合算法得到完整图像,重构整体样板三维结构,并利用ISO5436-1∶2000对标准样板台阶高度进行评价。实验对100和400 nm两种高度的标准样板进行了测量和拼接,并对拼接后的台阶高度进行评价,测量均值分别为100.3和398.9 nm,实验表明该技术能准确还原标准样板中台阶的高度,有效扩大了标准样板形貌重构的范围。

关键词：微纳米测量图像拼接标准样板台阶高度标准形貌重构