基于石英音叉測頭的三維納米測量與定位實驗研究.pdf

1、近年來，微細加工技術快速發(fā)展使得產品的導向趨于微型化，出現(xiàn)各種微型機械和MEMS器件。這些微型機械的幾何特征尺寸在數十微米至數毫米之間、尺寸精度在數十納米至數百納米。受限于測球尺寸和測頭系統(tǒng)的性能，傳統(tǒng)三坐標測量機無法滿足這些器件的精密測量要求，雖然原子力顯微鏡(AFM)和掃描隧道顯微鏡(STM)在納米尺度上可以用來進行微器件、微結構的表面形貌檢測，但是測量范圍受到很大的限制，因此發(fā)展體積小、精度高的微納米級三坐標測量機技術成為當務之急

2、。本系統(tǒng)在原有的石英音叉掃描探針顯微鏡系統(tǒng)的基礎上進行改進，實現(xiàn)了對較大深寬比微結構形貌測量，并據此提出了一種基于石英音叉的三維觸發(fā)定位測頭，對系統(tǒng)的三維納米測量與定位進行實驗研究。
　　文中完成的工作主要包括以下幾個部分：
　　系統(tǒng)研制部分：本系統(tǒng)在原有系統(tǒng)的基礎上，對電路進行改進。本論文主要介紹了系統(tǒng)測頭、前置放大電路設計、鎖相環(huán)路、振幅反饋控制等部分。采用石英音叉與鎢探針或微探球相結合構成系統(tǒng)測頭，通過DDS函數信號發(fā)

3、生器提供交流正弦信號驅動測頭勵振，采集卡采集數據，最終得到測頭的頻譜圖。通過實驗測出測頭的諧振頻率、振幅和品質因數等參數。
　　系統(tǒng)性能測試部分：通過實驗得到系統(tǒng)整體的噪聲，并獲得了掃描試樣時所需的電壓設定值、PI參數，以及系統(tǒng)空間分辨率和系統(tǒng)的機械振幅等參數。在原有系統(tǒng)的基礎上，結合三維納米定位臺，不僅實現(xiàn)了一維光柵表面形貌的測量，而且實現(xiàn)了對較大深寬比微觀結構的表面形貌測量。
　　三維納米測量與觸發(fā)定位部分：采用石英音叉

4、與微探球相結合，構成輕觸模式三維諧振觸發(fā)測頭，其與三維工作臺結合，用于實現(xiàn)對微型機械和MEMS器件等各種復雜形體的高精度、低破壞性三維定位，為后期實現(xiàn)系統(tǒng)真三維測量奠定了基礎。
　　實驗結果表明，基于石英音叉的SPM系統(tǒng)可以實現(xiàn)對大深寬比微觀結構的表面微觀形貌測量，拓展構建的三維諧振觸發(fā)定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)X、Y、Z三個方向的納米級精確定位。通過初步的實驗驗證，該測頭在X、Y和Z方向上的空間分辨率分別為0.2nm、0.15nm和0.0