精密测量原理与技术-1

WYKO公司的TOPO表面测量原理

美国veeco公司的NT9800 工作原理：垂直扫描白光干涉测量 测量范围：0.1nm~10mm，垂直分辨率：0.1nm 测量重复性：0.01nm
微纳米级精密测量技术
测量方法 非光 学测 量法 触针法 原理 金刚石触 针 纵向分辨率 0.1nm 0.001nm 0.01nm 1-5nm 1nm 0.1nm 0.1nm 0.1nm 横向分辨率 0.2um 1 nm 20 nm 1 um 0.65um 2 um 1 um 1um(10×) 纵向测量范围 备 注 800um 75 um 10 um ±250 um ±500 um <±λ/4 4 um 美国Rochest 大学 德国Feinpruf 公司 德国UBM公司 英国国家物理 试验室 IBM苏黎世实 验室



激光相位光栅干涉式表面轮廓测量仪
激光器发出的光垂直入射在全息衍射光栅上，衍射后的两束光分别经反 射镜反射在分光镜出交汇并发生干涉。触针随被测表面的轮廓上下运 动，从而带动圆心在转动支点的柱面全息衍射光栅转动，引起干涉条纹 的移动，通过计数转换得到触针的垂直位移。 英国Taylor-Hobson公司的Form Talysurf PGI系列激光相位干涉粗糙度 轮廓仪，最大测量范围可达12.5mm，分辨率可高达0.8nm
1. 2.
高精度：精度由微米级向纳米级发展，同时提高分辨率要求。 高速度高效率：Renishow ML10激光干涉仪测量范围80m，测量 速度1m/s 、分辨率0.001μm；点测量向面测量过渡。 利用微制造技术、纳米技术、计算机技术、新材料等新技术， 研究智能化、集成化、标准化、小型化仪器。 实现各种溯源的要求。如自标定、自校准，特别是纳米溯源问 题。———测量的可靠性

特点：


意义： 精密加工、精密测量与控制是现代精密工程的三大支柱。
¾ ¾
千分尺类量具：0.1mm；测微比较仪：1um左右； 圆度仪等精密测量仪器：0.1um；激光干涉仪：0.01um。 目前半导体加工技术已达45纳米线宽，定位要求占线宽的1/3，就要 求15纳米量级的精度。
微加工领域：
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发展趋势:
3.
4.
2、基本理论——测量误差



系统误差：数值符号和大小相对固定、或按一定规律变化的误 差。——标定 随机误差:误差的绝对值与符号均不定。 温度波动，测量力不恒定等。 粗大误差:超出在规定条件下预计的误差。 υ i > 3σ 3σ准则： 肖维勒准则：残余误差满足|vi|＞Zcσ，一般Zc<3
（2）微纳米级精密测量技术


激光干涉式表面轮廓测量仪
工作原理：触针以一定的速度沿被测表面移动，被测表面的凹凸不平引起触针 垂直方向上的运动，从而引起两束光的光程差改变。通过对干涉条纹移动个数 的计数，得到光程差的变化，计算出触针的垂直位移。 华中科技大学仪器系研制的LI型激光干涉式表面轮廓测量仪的垂直测量范围可 达±3mm，垂直分辨率为0.005μm。


德国Пmenau大学Jäger教授研制的三维定位及测量机台 工作原理：XY平台采用线性电机驱动，丝杆副传动的两个一轴运动台堆 栈组合，虽用光纤导引的激光干涉仪测量定位，但因存在固有的运动误 差，需加装PZT微动台来补偿，供SPM探头做三维定位测量。测量范围为 25mm×25mm×5mm，各轴分辨率均为1.24nm。
Veeco公司的Multimode Nanoscope III a SPM原子力显微 镜的横向分辨率为0.1nm，垂直分辨率为0.01nm。

相移干涉法 工作原理：利用压电驱动器改变参考光路和测量光路的光程差，在两束 相干光束间引入相位差，引起干涉图像的变化，通过多幅图像获得干涉 场中各点的光强变化，计算得到初始相位差，从而重构表面的轮廓信 息。相移干涉法的精度可达λ/1000，只需很少的图像就能计算出相位信 息，采集和计算速

减小操作者带来的认为误差


减小测量基准件及标准件的误差


减小测量力引起的误差


减小其他主客观因素造成的误差


仪器的技术指标

基本技术指标

测量精度 测量范围 测量ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ辨率 测量的重复性 测量速度 放大率 数值孔径 视场 工作距离 接触力

光学仪器


接触式仪器


美国MIT与北卡大学于1998年开始合作研制了原子级(Subatomic)精密运 动控制台，作为AFM探头操作式的双轴定位平台 工作原理：磁浮驱动，激光干涉仪感应位置，测量范围为 25mm×25mm×0.1mm，横向分辨率达0.1nm，重复性达1nm，总体精 度为10nm。其工作原理如图1-2：它依靠六个电磁致动器和六个电容传 感器的合理配置，提供控制力和位移反馈，该工作台能实现三维六自由 度的精密运动。


扫描探针显微镜(SPM) 包括原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜（STM）和扫描近场光学显微镜 AFM的工作原理：基于探针与样品之间的原子相互作用力。探针置于悬臂梁 上，利用光学杠杆法测出悬臂梁在原子力作用下的变形，便可测出被测表面的 形貌。AFM的纵向分辨率可达0.01nm，但横向测量长度很小，仅达到10µm， 因此AFM常被用来测量线条的宽度，较少用于测量表面形貌。
精密测量原理与技术
一、精密测量的理论 二、现代精密测量技术 三、精密测量的基本原理 四、微纳三维表面测量技术
一、精密测量理论

1、概述

课程范围：工程领域的几何量测量，如长度、尺寸的测量

长度测量：单频激光干涉仪、双频激光干涉仪 尺寸：三坐标测量仪、圆度仪、直线度仪、表面形貌测量仪等 精度高，毫米→微米→纳米 涉及光学、机械、电子、信息、物理、化学等多种技术


德国PTB的Special CMM
激光干涉仪测量位置与双激光干涉仪测量角度 测量范围： 25*40*25 mm 测量不确定度 < 0.1 um 二维和三维双测头

台湾大学范光照教授设计的小型三坐标测量机 工作原理：长行程的XY精密定位则采用美国Anorad公司的压电陶瓷线性 马达加以驱动，行程可达20mm范围及5nm的微步。各轴机台边安装一 维精密衍射干涉激光位置测量系统，作为线性马达的双轴位移感测。X平 台上放置一PZT驱动的XY微动平台以补偿线性马达的定位误差。
扫描隧道显微 量子力学 镜 原子力显微镜 纳米探针 共焦显微法 离焦检测法 外差干涉法 微分干涉法 Mirau干涉法 共轭成像 共轭成像 频率调制 偏振干涉 干涉显微
光 学 测 量 方 法
<±λ/4(PSI) 美国Veeco公 0.1-8mm(VSI) 司

二、现代精密测量技术
（1）坐标测量机

日本东京大学的Takamatsu教授于1995年开始的Nano-CMM 机台采用传统CMM缩小化的原理，移动桥式机台由摩擦轮做横向推动， 当摩擦轮转动时，通过摩擦轮与摩擦杆之间的静摩擦力带动摩擦杆沿着 摩擦轮的切线方向运动。 特点为二维运动台共平面设计，所设计的接触式光学感应探头直径为 50µm，具有10nm的分辨率，测量范围为10mm×10mm×10mm，位移 重复性为20nm，总体精度为50nm。
P±σ = 68.27% P± 2σ = 95.45% P± 3σ = 99.73%
评定随机误差:极限误差
Δ lim = ±3σ
χ = χ ± 3Δ lim χ = χ ± 3σ χ
2、基本理论——测量原则

减小原理误差

阿贝原则：在长度测量中，应将标准长度量(标准线)安放在被测长度量 (被测 线)的延长线上。 基准统一原则：测量基准要与工艺基准和装配基准统一。 最短测量链原则：应尽量减少测量链的组成环节，减小各环节的误差。 最小变形原则：要求测量器具与被测零件之间的相对变形最小。 封闭原则：判断系统误差 重复原则：判定测量结果可靠性和稳定性。