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河南城乡与住房建设厅网站,午夜资源站,网站logo素材,学校网站建设工作简报随着微机电系统#xff08;MEMS#xff09;器件向微型化、高深宽比发展#xff0c;其内部微细台阶结构的精确测量成为保障器件性能的关键环节。然而#xff0c;现有测量手段面临两难选择#xff1a;非接触式方法#xff08;如光学干涉、原子力显微镜#xff09;往往设备…随着微机电系统MEMS器件向微型化、高深宽比发展其内部微细台阶结构的精确测量成为保障器件性能的关键环节。然而现有测量手段面临两难选择非接触式方法如光学干涉、原子力显微镜往往设备昂贵、操作复杂或对样品有特定限制而传统接触式台阶仪虽简单可靠但其探针测量力较大易划伤MEMS中常见的软质材料如硅片Flexfilm探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量精确测定样品的表面台阶高度与膜厚为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。本研究提出并实现了一套经济实用的解决方案。核心在于设计了一种基于变截面薄片簧回转支撑的新型微力电感测头从根源上实现了无摩擦、小测量力约0.5mN的接触式探测。围绕此测头通过仿真验证设计系统测试确认其优异静态性能线性度约0.16%分辨率约0.005μm并构建了完整的测量系统。针对系统集成中步进电机引发的振动与偏心力干扰提出了有效的软硬件抑制措施最终通过标准样块与实际硅片测试验证了该系统在实现高精度测量的同时能有效保护工件表面满足了当前微细台阶结构的测量需求。微机电台阶仪测头设计电感传感器工作原理螺管型重点研究了螺管型电感传感器对比了单线圈与差动式结构。差动式结构在灵敏度、线性度及抗干扰能力方面更优故被选用。电感测头理论设计左测头结构示意图右变截面薄片簧结构示意图核心创新在于采用变截面薄片簧作为测杆机构的回转支撑替代传统摩擦副实现无磨损和微测量力。方案与材料设计了水平布局测头片簧选用Ni42CrTi恒弹性合金。片簧设计基于柔性铰链理论计算确定了片簧几何参数长1mm中心厚0.05mm宽2mm并进行了强度校核。测杆机构设计建立了机构运动方程计算了系统固有频率33.01 Hz和测量力变化率1.42 N/m。压簧设计设计了铰青铜压簧确保触针接触并控制测量力变化。测杆机构的仿真分析测杆机构受力示意图利用ANSYS进行有限元分析仿真得到的测量力-位移关系线性良好测量力变化率为1.33 N/m一阶固有频率为34.634 Hz与理论值吻合验证了设计正确性。电感测头的测量力测试电感测头整体设计图测量力测量装置实测最大测量力约为0.5 mN测量力变化率为1.25 N/m。实测值与理论值、仿真值的误差较小证明设计与仿真方法可靠。电感测头的测试搭建测试平台对测头进行系统性能评估。线性度三个量程档±193 μm ±33 μm ±3.5 μm的线性度分别为0.16 %、0.096 %和0.10 %。灵敏度与分辨率最高灵敏度达1428 mV/μm系统实际分辨率约0.005 μm。稳定性60分钟零点漂移小于0.081 μm中档。重复精度优于0.12 % F.S.。标定使用高精度光栅长度计进行标定建立了电压-位移的线性拟合关系。测试表明该测头静态性能良好满足精密测量要求。微机电台阶仪系统设计测量原理与系统搭建台阶仪系统组成简图系统基于接触式扫描原理硬件包括自制电感测头、步进电机驱动的精密丝杠导轨平台、信号处理电路、A/D采集卡、CCD观测系统及PC控制主机。振动问题分析与抑制振动主要源于步进电机。采取的综合抑制措施包括选用混合式电机并采用细分驱动测头调零后使竖直电机断电水平电机与丝杠间用软轴连接并加装减振垫电源加装滤波器。措施实施后测量噪声从0.075μm显著降低至0.02μm。偏心力问题分析与抑制信号处理电路简图偏心力源于传动链的同轴度误差会导致测量曲线周期性失真。通过提高装配精度、改进工作台与滑块的连接方式采用销连接并增设导块和拉簧、使用软轴传递扭矩等措施有效消除了偏心力对测量的影响。数据处理和系统测试软件数据处理与误差分析针对采样数据中的随机噪声对比了多种数字滤波算法最终选用改进的中值平均滤波法N20两层在有效滤噪的同时保证了系统响应速度。控制软件设计基于C Builder开发了集成化软件包含主控制模块量程选择、电机控制、实时数据显示与CCD观测、数据处理模块滤波、去趋势、参数提取和标定模块界面友好操作便捷。系统实物测试对15μm标准单刻线样板和刻有1.2μm槽的硅片进行实测结果分别为15.105 μm和1.205 μm测量准确且未损伤硅片表面验证了系统实用性。本研究成功研制了一套测量力小、精度可靠的微机电台阶测量仪系统。主要贡献在于设计了基于变截面片簧的微力电感测头通过仿真与实验验证了设计构建了完整测量系统并有效解决了振动与偏心力干扰开发了配套控制软件。未来工作可围绕以下方面展开进一步优化机械结构以彻底隔离振动改进CCD调焦机构扩展平台行程增加位置反馈拓展软件功能如表面粗糙度测量。Flexfilm探针式台阶仪Flexfilm探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值尤其是台阶高度是一个重要的参数对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。✔ 配备500W像素高分辨率彩色摄像机✔ 亚埃级分辨率台阶高度重复性1nm✔ 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台✔ 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量保证材料质量、提高生产效率。原文参考《微机电台阶测量仪系统设计与研究》