一种XYZΒ四维扫描探针微形貌测量系统.pdf

本发明公开了一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，涉及微结构加工及微结构面形质量检测技术领域，主要包括：XYZ-β四维扫描模块、微探针模块、信号分析处理模块等；所述的XYZ-β四维扫描模块由基座、XYZ微位移平台、β旋转轴承组成，与所述的微探针模块配合工作，能够检测样品在三维空间内的表面形貌变化；扫描信号经过信号分析处理模块处理后，可重构样品表面形貌。本发明在形貌测量过程中能够实时修正样品和微探针模块之间的相对夹角，提高形貌测量系统的最大可探测角，降低测量误差对样品斜率的敏感特性，避免被测样品和微探针的机械损伤，能够可靠地测量具有复杂面形特性的微形貌，并提高测量精度。

1.  一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，包括：精密气浮隔震工作台(1)、XYZ-β四维扫描模块(2)、微探针模块(3)、龙门式桥架(4)、信号采集转换模块(5)、信号分析处理模块(6)、四维扫描控制模块(7)等；所述的XYZ-β四维扫描模块固定在精密气浮隔震工作台(1)上，其上方放置被测样品(8)，被测样品(8)的正上方为所述的微探针模块；所述的龙门式桥架的两个立柱分列XYZ-β四维扫描模块(2)的两侧，并固定在精密气浮隔震工作台(1)上，龙门式桥架(4)的横梁上承载有所述的微探针模块，所述的横梁经两个立柱支撑，横跨在所述的XYZ-β四维扫描模块的上方；所述的微探针模块通过信号采集转换模块(5)与信号分析处理模块(6)连接；所述的信号分析处理模块通过四维扫描控制模块(7)与XYZ-β四维扫描模块(2)连接。

2.  如权利要求1所述的一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，其特征是：所述的精密气浮隔震工作台具有较低的固有频率和较强的隔震性，在隔震台面上固定有所述的龙门式桥架和所述的XYZ-β四维扫描模块。

3.  如权利要求1所述的一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，其特征是：所述的XYZ-β四维扫描模块由基座(2-1)、β旋转轴承(2-2)和XYZ微位移平台(2-3)三部分组成，XYZ微位移平台(2-3)可在X、Y、Z三个方向做直线运动，β旋转轴承(2-2)可在X-Z平面内做精密旋转；XYZ微位移平台(2-3)和β旋转轴承(2-2)通过刚性连接固定在基座(2-1)上，构成所述的XYZ-β四维扫描模块。

4.  如权利要求1所述的一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，其特征是：所述的微探针模块由微探针和微位移传感器组成，可精确检测被测样品(8)的表面的形貌变化。

5.  如权利要求1所述的一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，其特征是：所述的龙门式桥架包括两个立柱和一个横梁，材质为花岗岩，所述的两个立柱固定在精密气浮隔震工作台(1)上，分列XYZ-β四维扫描模块(2)的两侧，所述的立柱上固定设置有所述的横梁，所述的横梁中间部位刚性连接有所述的微探针模块。

6.  如权利要求1所述的一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，其特征是：所述的信号分析处理模块的一端通过信号采集转换模块(5)与微探针模块(3)连接，分析微探针模块获取的形貌变化信息；另一端通过四维扫描控制模块(7)与XYZ-β四维扫描模块(2)连接，控制XYZ-β四维扫描模块(2)的运动方式。

一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统
技术领域
本发明涉及微结构加工及微结构面形质量检测技术领域，特别涉及一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统。
背景技术
随着精密加工技术的发展，各种微结构器件不断出现，这些微结构器件通常具有复杂的面形几何特征，具体表现为垂直侧壁、陡峭斜坡、尖端锐角等。在测量具有复杂面形特征的微结构表面形貌时，测量结果中样品形貌失真和噪声干扰是当前精密形貌测量亟待解决的技术难题。
精密形貌测量技术主要包括非接触式测量和接触式测量两大类。
非接触式测量主要包括基于光学的共聚焦和自聚焦显微测量技术等。此类测量技术的缺点是：受物镜数值孔径限制，测量系统具有较小的最大可测量角，测量误差对被测面形的斜率非常敏感，测量大斜率表面时有明显噪声以及信号失真，甚至无法测量。
接触式测量主要包括机械探针式轮廓仪、扫描探针显微镜和三坐标测量机等。机械探针式轮廓仪的缺点是：探针尖端最大可探测角为45度或60度，在测量具有大斜坡特征的微结构表面时，容易出现轮廓干涉和探针惯性跳动现象，导致无法准确地测量样品表面形貌。扫描探针显微镜的缺点是：横向测量范围一般为10微米至100微米，纵向测量范围小于10微米，因此扫描探针显微镜通常用于纳米结构的形貌测量，而不用于微结构的形貌测量。三坐标测量机缺点是：探头尖端尺寸过大，其最小尺寸在几十至几百微米范围，在运用于微结构形貌检测时容易产生测量盲区，从而导致测量结果失真。
当前形貌测量技术能够有效测量具有平滑特征的微结构，获取较高的测量精度和可靠性。但是，受各种测量技术的最大可探测角的制约以及测量误差对样品斜率敏感等因素的影响，针对具有复杂面形特征微形貌的测量，其测量结果会引入不可补偿或超过允许界限的测量误差，降低测量精度和测量可靠性。
发明内容
为解决已有形貌测量技术中存在的技术缺陷(如测量误差对斜率敏感的问题，测量的最大可探测角过小)，提高对复杂面形微形貌的测量能力，我们发明了一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统。该测量系统采用的具体技术方案详见下文描述：
测量系统如图1所示，主要由精密气浮隔震工作台(1)、XYZ-β四维扫描模块(2)、微探针模块(3)、龙门式桥架(4)、信号采集转换模块(5)、信号分析处理模块(6)、四维 扫描控制模块(7)等组成。所述的XYZ-β四维扫描模块固定在精密气浮隔震工作台(1)上，其上方放置被测样品(8)，被测样品(8)的正上方为所述的微探针模块；所述的龙门式桥架的两个立柱分列XYZ-β四维扫描模块(2)的两侧，并固定在精密气浮隔震工作台(1)上，龙门式桥架(4)的横梁上承载有所述的微探针模块，所述的横梁经两个立柱支撑，横跨在所述的XYZ-β四维扫描模块的上方；所述的微探针模块通过信号采集转换模块(5)与信号分析处理模块(6)连接；所述的信号分析处理模块通过四维扫描控制模块(7)与XYZ-β四维扫描模块(2)连接，用于控制扫描模块的扫描运动。
所述的精密气浮隔震工作台，固有频率低、阻振性好，可减小外界震动对测量的干扰，保证XYZ-β四维扫描模块(2)和微探针模块(3)能够有效地配合工作，减小测量误差，提高测量精度。
所述的XYZ-β四维扫描模块由基座(2-1)、β旋转轴承(2-2)和XYZ微位移平台(2-3)三部分组成。其组成结构为：基座(2-1)刚性连接在精密气浮隔震工作台(1)上，β旋转轴承(2-2)固定在基座(2-1)的正侧面上，其轴线与基座的正侧面垂直，XYZ微位移平台(2-3)刚性连接在β旋转轴承(2-2)的凸台上。所述的XYZ微位移平台可精确控制样品(8)在X、Y、Z三个方向作直线运动，β旋转轴承(2-2)可使样品(8)在X-Z平面内按照控制指令做旋转扫描运动。以上三维空间的线性扫描和旋转扫描形成复合运动扫描方式，可使具有陡峭斜坡、垂直峭壁、尖端锐角、峰谷凹槽等复杂面形特征样品表面的微形貌得到精确测量。
所述的微探针模块主要由微探针和微位移传感器组成，用来检测被测样品(8)表面的微观形貌变化。
所述的龙门式桥架由两个立柱和一个横梁组成，其材质均为花岗岩。所述的立柱固定在精密气浮隔震工作台(1)上用来支承横梁，所述的横梁刚性连接在两个立柱上用来承载微探针模块(3)。龙门式桥架(4)采用花岗岩材质的优点是：花岗岩的刚度较大，热膨胀系数较小，抗震性好，可减小系统主体结构的热弹性变形，有利于提高测量精度。
所述的信号分析处理模块通过信号采集转换模块(5)，采集微探针模块(3)的测量信号，经过计算处理后，向四维扫描控制模块(7)发出指令，控制XYZ-β四维扫描模块(2)的运动。通过XYZ-β四维扫描模块的运动，微探针模块(3)扫描样品表面微观形貌，经过信号分析处理模块(6)的分析处理，重构样品(8)表面微观形貌。
所述的信号分析处理模块经信号采集转换模块(5)与微探针模块(3)连接，再经四维扫描控制模块(7)与XYZ-β四维扫描模块(2)连接，已测量的形貌结果通过信号分析处理模块(6)分析处理后，形成新的扫描机构运动方案，并通过四维扫描控制模块(7)控制XYZ-β四维扫描模块(2)的运动方式。这样的闭环反馈结构，可有效地提高系统对具有复 杂面形特征的微结构表面形貌的测量能力并提高测量精度和可靠性。
本发明的有益效果
与已有的表面形貌测量系统相比，本发明带来的有益效果是：
该测量系统可根据被测样品斜率的分布，改变微探针与样品之间的受力情况，以减小和避免微探针和被测样品的损伤。
该测量系统实时修正样品和微探针模块之间的相对夹角，提高了形貌测量系统的最大可探测角，降低了测量过程中微探针对样品斜率变化的敏感特性，因此该测量系统对微形貌的复杂面形具有较强的测量能力。
附图说明
图1是本发明一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，整体结构图。
图2是本发明一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，沿水平方向扫描被测样品的示意图。
图3是本发明一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，在X-Z平面内顺时针旋转后扫描被测样品的示意图。
图4是本发明一种XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，在X-Z平面内逆时针旋转后扫描被测样品的示意图。
具体实施方式
本发明的具体工作过程可通过附图2、图3和图4的实例详细描述。
系统开始工作时，被测样品(8)放置在XYZ-β四维扫描模块上，通过四维扫描模块的平移移动，调整样品(8)和探针(9)的相对位置，使探针(9)和样品(8)表面平滑区域接触。确定接触后，在XYZ-β四维扫描模块的驱动下，首先将样品(8)沿水平方向进行线性扫描，如图2所示，微探针模块将依次检测样品(8)上的表面形貌变化。
图2中在扫描P₀-P₁点、P₃-P₄点和P₆-P₇点之间的平滑区域时，被扫描区域表面轮廓的倾斜角基本上为零，小于探针(9)尖端的最大可探测角因此XYZ-β四维扫描模块只需保持水平方向的匀速扫描，就可以保证探针(9)准确采集到相应区域的形貌变化。
在扫描P₁-P₃点和P₄-P₆点之间具有斜率突变的区域时，由于这些区域斜坡处的倾斜角α大于探针(9)尖端的最大可探测角使探针(9)尖端与样品(8)表面发生轮廓干涉(干涉点分别为T₁点和T₂点)。这种干涉将会影响系统对样品表面形貌的准确测量。为避免探针尖端与样品表面的轮廓干涉，减小测量误差，本系统采取复合运动扫描方法测量样品表面形貌。
如图3所示，在扫描P₁-P₃点之间具有正向斜率突变的区域时(如P₁点和P₂点)，旋转 轴承在X-Z平面内按照顺时针方向旋转β₁角后通过位移平台进行线性扫描。此时，样品(8)表面斜坡的倾斜角变为α₁且小于探针(9)尖端最大可探测角可避免探针(9)尖端与样品表面的轮廓干涉，提高测量精度。
如图4所示，在扫描P₄-P₆点之间具有反向斜率突变的区域时(如P₅点和P₆点)，旋转轴承在X-Z平面内按照逆时针方向旋转β₂角后通过位移平台进行线性扫描。此时，样品(8)表面斜坡的倾斜角变为α₂且小于探针(9)尖端最大可探测角可避免探针(9)尖端与样品表面的轮廓干涉，提高测量精度。
最后微探针模块将采集到的被测样品的形貌信息，经信号采集转换模块传输给信号分析处理模块，通过分析计算，可重构样品表面的形貌。所发明的XYZ-β四维扫描探针微形貌测量系统，能有效地避免探针尖端与样品表面的轮廓干涉，提高系统对具有复杂面形微形貌的测量精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。