基于MEMS微触觉测头和纳米测量机的扫描测量平台

　　1　引　　言

　　近些年微加工技术的发展对器件、结构的精密测量和表征提出了更高的要求,而以三坐标测量机为代表的传统测量方法通常会受到测量精度和分辨力的限制,原子力显微镜等纳米级分辨力的测量仪器则会受到测量对象和测量范围的限制,所以,针对微米量级器件和结构的测量方法和装置是当前精密尺寸测量领域的一个研究热点[1]。主要工作集中在微坐标测量机及与之配套的测头研究上[2-3],以实现对器件和结构精确的尺寸测量,以及结构的表面形貌表征。

　　本文通过将一种自主开发的微触觉测头[4]与纳米坐标测量平台[5]相结合,通过MEMS技术实现了测头的集成化和小型化[6],并构建了高性能的扫描测量平台。开展了微触觉测头对纳米测量机的反馈控制研究及控制转换参数的标定;研究了扫描平台的扫描方式;开展了对相对平整表面和非平整表面的扫描测量实验,并行了测量重复性的验证和扫描结果的比较和分析。

　　2　微触觉测头的测量原理

　　根据图1所示的三维MEMS微触觉测头的实物照片所示,测头在进行测量的过程中,测端1用来接触被测物体,测杆2将测端的位移变化传递到中心连接体4上,外框架3起到固定中心连接体和敏感梁5的作用,敏感梁因为中心连接体的转动而弯曲,并通过表面扩散的压阻检测应力的变化。通过惠斯通电桥及后续放大调理电路处理,输出与被测几何量成正比的电压信号,从而实现对微位移或微力的高精度检测。其中测杆和测端采用超精密加工技术制成。中心连接体和敏感梁构成的悬挂系统采用标准MEMS体硅工艺加工。

    　3　测头扫描系统的构建

　　为了构建扫描测量平台,首先需要通过微触觉测头的电路将反馈信号引入纳米坐标测量机(nanomeasuringmachine, NMM)系统,进行A/D转换,实现对测头控制参数的标定。在此基础上,确定测头的扫描模式,以开展相应的形貌扫描实验。基于MEMS三维微触觉测头和NMM构建的测量系统照片如图2所示。测量系统主要包括几个部分:NMM主机和控制系统、测头和处理电路、侧向显微观察系统、计算机等。

　　3.1　微触觉测头的反馈控制及参数标定

　　为了在NMM平台上实现扫描测量的功能,需要微触觉测头提供位移反馈信号。为此,仪器先作为定位系统在z方向移动。当测头接触到样品时,控制系统就转换到纳米测量机工作模式,即由测头的反馈信号控制仪器定位。z轴位置的控制变量此时为测头与样品表面之间的作用力大小, NMM的反馈控制原理如图3所示。

　　NMM中用于载物的是一个拥有三个激光反射面的角镜,如果x或y重新定位,角镜将按测量物体轮廓的形状移动,通过干涉仪记录的信号就可以获得样品的轮廓。在这种模式下,导轨误差不会引起测量偏差。完成测量后,测头将与被测物分离,反馈控制关闭。