[發明專利]一種微納跨尺度表面結構快速測量方法和裝置

有效

• 申請號: 202210548526.8
• 申請日: 2022-05-20
• 公開（公告）號: CN114659465B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 劉曉軍;楊文軍;刁寬
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B9/0209;G06N3/08
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 彭軍芬

本發明公開了一種微納跨尺度表面結構快速測量方法和裝置，屬于光學和電子制造精密測量領域。本發明以白光干涉的微納跨尺度表面結構測量裝置為基礎，通過改變壓電工作臺掃描策略和白光干涉信號采樣方式，實現快速高精度測量。第一，壓電工作臺預掃描，采用位移傳感器采集工作臺在等時間間隔移動下的位移數據；第二，利用神經網絡算法進行時間?位移曲線高精度擬合，得到等位移間隔對應的非均勻時間序列；第三，在硅懸臂梁納米測量模式下放置待測樣品，壓電工作臺按預掃描參數往復運動，同時信號采集卡按等位移間距對應的非均勻時間序列對硅懸臂梁上表面的白光干涉信號進行采樣；第四，對白光干涉信號進行數據處理獲得樣品表面三維結構，完成測量。

技術領域

本發明屬于光學和電子制造精密測量、微納制造技術領域，更具體地，涉及一種微納跨尺度表面結構快速測量方法和裝置。

背景技術

隨著微納制造及精密測量技術的發展，跨尺度微米納米組合表面結構成為光電子、IC、MEMS、太陽能電池、激光全息防偽、平面顯示等領域關鍵部件重要的表面特征。這些特征整體宏觀尺寸逐漸增大，精度要求不斷提高，因此快速準確的測量是微納跨尺度表面結構測量系統的關鍵技術要求。

以白光干涉為基礎，融合白光干涉與硅懸臂納米探針測量兩種測量模式的白光干涉硅懸臂納米探針測量系統，具有白光干涉、硅懸臂納米探針兩種測量模式，能夠分別實現IC、MEMS等制造領域中微米、納米和微納米跨尺度組合表面結構的測量。

然而，在微納跨尺度表面結構測量系統中，由于壓電工作臺存在復雜的非線性遲滯效應，導致壓電工作臺定位精度低，從而使得基于對應壓電工作臺掃描等時間間隔采集的白光干涉信號重建表面結構出現畸變，最終降低表面結構測量精度。

閉環控制是壓電陶瓷掃描臺遲滯補償的主要方法。然而，閉環控制極大地降低了壓電驅動掃描速度。為了提高微納表面測量中壓電驅動掃描速度，現有研究采用基于逆遲滯模型的前饋控制。但壓電陶瓷遲滯環的形狀與驅動電壓的施加過程、大小、頻率以及負載相關，這些因素都影響壓電陶瓷遲滯特性曲線建模及模型參數選擇。在每次使用微納跨尺度表面結構測量系統對樣品進行掃描測量時，隨著樣品及測試要求的不同，上述每個參數都可能變化，這對模型的準確性及適應度都提出極高要求，線性化精度大為降低，進而影響測量結果的準確性。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種微納跨尺度表面結構快速測量方法和裝置，其目的在于，采用基于白光干涉原理的微納跨尺度表面結構測量裝置的壓電工作臺首先進行預掃描，利用電容傳感器獲取工作臺的時間-位移數據，隨后利用BP神經網絡算法擬合時間-位移曲線，此步驟即可獲得壓電工作臺的工作曲線，基于該工作曲線即可采用開環控制模式下實現壓電工作臺的高精度定位控制，由此解決閉環控制測量速度慢的技術問題。隨后基于BP神經網絡擬合的曲線，經過進一步計算，求得等位移間隔的時間序列，信號采集卡按該時間序列進行白光干涉信號采集，由此解決因采樣距離不均造成表面重建圖像畸變進而導致測量精度低的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種微納跨尺度表面結構快速測量方法，包括：

S1.根據被測樣品的尺寸大小，設置壓電工作臺的掃描速度和范圍；

S2.在基于白光干涉原理的硅懸臂梁納米測量模式下，上位機向壓電工作臺發送測量掃描控制信號，通過開環控制使壓電工作臺掃描運動；

S3.利用位移電容傳感器等時間間隔采集壓電工作臺的位移數據，獲得一系列時間-位移離散數據集；

S4.對獲得的時間-位移離散數據集進行非線性曲線擬合，得到壓電工作臺的掃描時間-位移曲線模型；

S5.根據壓電工作臺的掃描時間-位移曲線模型，計算得到壓電工作臺掃描等間距位移所對應的非均勻時間序列；