经济型微机电台阶测量仪的研究

　　引言

　　近年来随着纳米技术的蓬勃兴起，特别是微加工技术的不断深人发展使得MEMS器件尺寸越来越小，刻线越来越细}‘]。MEMS中微小元器件制作工艺过程中，刘一各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证器件质量、提高生产效率的重要手段121。微机电台阶测量是传统的表面形貌测量的一个新发展，与传统的表面形貌测量相比，其测量样品多为单向性布局的规则表面，样品多为不同材料且硬度较小，样品表面刻槽具有较大的深宽比，要求测量范围较大，测量力较小。

　　我们自行研制了一种成本低，性能好的微机电台阶测量系统。该系统测头采用变截面薄片簧作为同转运动关键部件，消除了摩擦，提高了系统分辨率。系统运动平台采用混合式步进电机驱动r}杠转动，r}杠带动精密导轨进行平移，刘一平台做了一些改进，使得运动平台运动平稳，精确。测量系统y.向最高分辨率可达0.005 N.,m，测量力最大约为O.SmN，最大量程为士200N.,um。它能准确、完整的测量出MEMS器件的微观沟槽的具体尺寸，满足了现在刘一MEMS器件表面刻痕沟槽等的测量要求。

　　1台阶测量原理及分类

　　日前台阶测量方法有两种，分为非接触式和接触式。两者各有优缺点，前者这种测量方法测量过程中不与被测表面接触.囚而不会刘一被测表面的形貌产生影响，不足的是刘一被测工件形状、表面光学性质等有种种限制，如由于受衍射限制，使其横向分辨率很难提高，在测量大斜率及台阶表面时，测量误差很大，测量结果的数显、记录及计算机处理都比较困难伙同时其测量范围狭窄，而且涉及的技术难题多，操作复杂，操作环境要求高，价格昂贵，应用受到很大限制。后者的优点在于简单、灵活，获得信息全面，可靠，有测量动态范围大等优点并可方便地利用i}一算机进行处理。

　　本文台阶测量仪是基于接触式测量方法研制而成。台阶测量系统一般包括精密测头、运动平台、信号处理电路、A/D采集卡、微型计算机等组成。其测量原理如图1所不为当触针沿被测表面轻轻滑过时，磁芯随着触针在被测表面滑行的同时作相应上下运动，从而将被测表面的台阶高度转化为与之成正比的电压信号，经信号调理电路放大、解调、滤波后，送计算机进行数据分析和处理，得到被测表面的轮廓及各种参数。

　　2测头设计

　　测头是台阶测量系统的关键部件，它自_接与工件被测表面相接触，将被测工件表面的微小变化转化成测头感知量的变化，其本身的精度严重影响测量系统的精度。现有测头结构的形式多种多样，一般有竖自_和水平两种布局，但大多存在两个问题，其一就是测量某些零件，特别是一些软质材料时，易划伤工件表面;另外很多测头采用顶尖或刀口支撑时，长期使用转动副磨损较大，改变了测头机构的相刘一位置，增大了摩擦，严重影响测头移动位置精度lal。为此我们设计了一种测头，其结构如图1，它由变截面薄片簧实现转动，该片簧类似于柔性饺链151，片簧结构如图2所不，以片簧中心最薄弱截面处为同转中心，测杆绕其转动，不会引人摩擦;同时由于片簧自身有一定的转角刚度，由它提供主要测力源，经测试最大不超过O.SmN，保证了测量过程中测量力很小，不损坏被测工件的表面质量;采用现有的中原量仪厂的轴向小型磁芯型电感传感器DGC-8ZG/A中的线圈，进行了改装，保证了测量精度。