[发明专利]三维微纳米非接触触发探头以及MEMS器件测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS器件测量技术领域，具体是涉及一种三维微纳米非接触触发探头以及MEMS器件测量装置。

背景技术

近年来，MEMS技术快速发展，各种微型器件相继问世，如微传感器、微执行器、微型构件、微光学器件、微电力电子器件等，这些器件已在航空、航天、汽车、生物医学、环境监测、军事等方面获得了应用。MEMS器件正朝着复杂化、集成化方向发展，在众多领域有着广阔的应用前景，正在发展成为一个巨大的产业，迫切需要有准确(精度高)、高效(速度快)、安全(非接触)的检测技术和手段。

高精度的探头作为纳米三坐标机的重要组成部分，它的精度、分辨率、重复性等性能是保证整个纳米三坐标系统具有纳米精度的关键因素。探头可以分为接触式探头和非接触式探头，光学非接触式测量方法比较适合测量软薄工件、微型工件，非接触式测量不会造成被测工件表面的磨损和破坏；探头本身也不存在磨损的问题，因此探头在使用过程中不会因为其工作时数而降低测量精度；同时非接触式测量的测量速度比接触式测量要快许多；而且非接触式测量不需要进行探头的半径补偿，这使得非接触式测量探头成为了人们关注的焦点。

微型工件的高精度测量是非常具有挑战性的工作，尤其当工件中有边缘特征时，如微线宽、凹槽、凸台、微孔等。因为接触式测量方法受限于探球的(探针)直径，非接触式光学测量受到光学衍射极限的限制。非接触式测量有很多方式，也有多种不同的光学方式，比如：激光三角测量法，主要特点是测量速度快，分辨率可达1μm；相位移技术法，优点是纵向精度高，缺点横向分辨率智能达到微米级；激光自动聚焦法，分为影像原理和象散原理，在10μm的范围内分辨率能达到纳米级，但仅限于一维测量；白光干涉测量技术，该技术可以重建物体三维轮廓，但达不到纳米分辨率；共焦显微测量技术同样可以进行物体三维轮廓重建，纵向分辨率为0.5μm、横向分辨率为1μm；全像测量技术可以快速重建物体影像，并实时测量，但只能达到微米级精度。

国内外也有一些著名大学或研究机构都在研究高精度微纳米非接触式探头。如：德国的OPM公司研制的激光自动聚焦探头(AF16)，是利用像散的原理来得到物体形貌，然后分析物体影像实现测量，激光波长为780nm，竖直方向分辨率是10nm，水平方向分辨率依赖于二维定位平台的定位精度。法国ESYCOM实验室研发了一种基于光学干涉原理的非接触式微纳米探头。该探头可同时测量几百微米大小的待测件的宽度和厚度，其横向分辨率只能达到微米级。日本KEYENCE公司研制的三维激光扫描显微镜(VK-9700)，利用激光共焦法实现XY平面的扫描，并且同时获取待测物体的影像，它所使用的激光波长为408nm，纵向分辨率可以达到1nm，横向分辨率只达到微米级。2010年Cheng-Hsiang Lin研制了一种用于微孔深度测量的的非接触式测量系统，可以实现对激光加工的微孔的深度进行实时测量，分辨率为0.5nm。当钻孔速率为1000转/分时，可测量的最大深度为347.1nm，但无法测量孔的直径。2009年Manske等人研发出了一种既可以用于接触式测量又可以用于非接触式测量的探头。该探头量测原理是像散法。使用的激光波长为632nm，纵分辨率可小于1nm。2009年德国PTB Ehert等人使用激光共焦法进行线宽测量，该系统的横向分辨率可达100nm。因此，现有探头的精度和分辨率都较高，但主要是进行一维测量，而且结构复杂，造价高。

发明内容

针对现有测量方法的分辨率和精度无法满足MEMS器件高精度测量的需求的技术问题，本发明的目的在于提供一种具有纳米精度的三维微纳米非接触触发探头以及MEMS器件测量装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种三维微纳米非接触触发探头，由可视化模块和测量模块构成，

所述可视化模块由白光LED、第一准直透镜、非偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、第二准直透镜、聚焦透镜、偏振片、场透镜和CCD相机组成；

白光LED发出的光经过第一准直透镜准直后，再经过非偏振分光棱镜、偏振分光棱镜后进入由第二准直透镜和聚焦透镜组成的显微物镜，经过显微物镜聚焦在工件表面；工件表面反射回的光同样经过显微物镜、偏振分光棱镜、非偏振分光棱镜后以平行光线进入偏振片、场透镜，然后场透镜将携带影像信息的平行光线成像在CCD相机上；

测量模块由激光器、光栅、偏振分光棱镜及四分之一波片、圆柱透镜、光电集成电路和四象限传感器组成；