微机电系统（MEMS）技术基于光学干涉的MEMS微结构残余应变测量方法

微机电系统（MEMS）技术基于光学干涉的MEMS微结构残余应变测量方法

国家标准 GB/T34900一2017 微机电系统(MEMS)技术 基于光学干涉的MEMS微结构 残余应变测量方法 Miero-electromechaniealsystemtechnology- MeasuringmethodforresidualstraineasureentsofMEMSmicrostructures usingan.optiealinterferometer 2017-11-01发布 2018-05-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/34900一2017 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草 本标准由全国微机电技术标准化技术委员会(SAC/Tc336)提出并归口 本标准主要起草单位;天津大学、中机生产力促进中心、国家仪器仪表元器件质量监督检验中心,南 京理工大学、电子科技集团公司第十三研究所 本标准主要起草人:郭彤胡晓东、李海斌、于振毅、裘安萍,程红兵、崔波、朱悦
GB/34900一2017 微机电系统(MEMs)技术 基于光学干涉的MEMS微结构 残余应变测量方法 范围 本标准规定了基于光学干涉显微镜获取的微双端固支梁结构表面形貌进行残余应变测量的方法 本标准适用于表面反射率不低于4%且使用光学干涉显微镜能够获取表面形貌的微双端固支梁 结构 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的 凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件 凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 GB/T3505产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法术语、定义及表面结构参数 GB/T261l1微机电系统(MEMS)技术术语 GB/T26113 微机电系统(MEMs)技术微几何量评定总则 GB/T34893一2017微机电系统(MEMs)技术基于光学干涉的MEMs微结构面内长度测量 方法 术语和定义 GB/T3505,GB/T26111和GB/T34893一2017界定的以及下列术语和定义适用于本文件 3.1 残余应变residualstrain 存在于材料,结构内部因塑性变形,不均匀温度分布、不均匀相变而形成的并保持平衡的内应变 测量方法 4.1总则 4.1.1微双端固支梁由于工艺引人的残余应力,导致梁结构发生弯曲变形,通过弯曲变形的测量获取 微双端固支梁内的残余应变,如图1所示
GB/T34900一2017 双端固支梁 圆定糊 固定端 端面2 端面1 图1微双端固支梁的三维形貌图 4.1.2光学显微干涉测量法是GB/T26113中规定的一种MEMS微结构几何量评定的方法 本标准 利用光学干涉显微镜获得被测对象的三维表面形貌,从中提取相关的二维轮廓线,通过轮廓线弯曲变形 程度的计算获取残余应变 4.1.3对于提取的二维轮廓线与微双端固支梁固定端端面垂线存在夹角引人的测量误差,可通过选取 多组平行的轮廓线进行计算给予修正 4.1.4提取二维轮廓线时应避开有明显缺陷的区域 4.2测量环境 测量环境为: 环境温度;1535; -相对湿度:20%80%; 大气压力;86kPa106kPa 4.3测量设备 4.3.1测量设备要求 测量设备为能够测量微结构表面形貌的光学干涉显微镜(光学干涉显微镜的典型形式和主要技术 特点参见附录A),要求离面方向测量分辨力不低于1nm,且离面测量范围要大于被测微结构的最大高 度差,通常不低于100m 43.2测量设备校准 测量设备校准时应对每一种显微物镜的成像放大因子和轴校正因子进行标定 成像放大因子的标定,使用栅线样板(通常棚线间距为10m),轴和》轴的成像放大因子需分别 进行标定,成像放大因子按照式(1)进行计算， K，=q/pn 1 式中 N 成像放大因子,为！或y; -栅线间距,单位为微米(m);
GB/34900一2017 栅线间像素数 pn 轴校正因子的标定,使用台阶高度样板(通常台阶高度为100nm),又 轴的校正因子按照式(2)进 行计算 C=h;/h 式中: 轴校正因子 -标准台阶高度,单位为纳米(nm):; hn 台阶高度仪器示值,单位为纳米(nm). 4.4测量步骤 44.1测量准备 将被测对象放置在光学干涉显微镜载物台上,选择合适放大倍率的显微物镜,使微双端固支梁的起 止点约占视场长度或宽度的三分之二 4.4.2获取三维表面形貌 操作光学干涉显微镜,获取被测对象在全视场内的三维表面形貌 从中选取微双端固支梁固定端 部分的一个区域作为标准面,对三维表面形貌进行坐标修正 4.4.3提取表面轮廓线及计算数据点 提取表面轮廓线及计算数据点方法如下 按照微双端固支梁两端面垂线所对应的轴向( 轴或》轴)提取表面轮廓线,工轴方向提取的 a 7条表面轮廓线见图2,其中表面轮廓线a'，a，e'和e(只包含微双端固支梁固定端部分,不包 含悬空部分)的典型表现形式见图3,表面轮廓线b,c和d同时包含微双端固支梁固定端部分 和悬空部分)的典型表现形式见图4; (2,) (xl-,% xe,Me .2,%e 端面1 端面2 基座 图2选择7条轮廓线进行残余应变计算 对于表面轮廓线',a《'和e,边界点的选择可选择阶梯结构的上边缘点,如图3中l 和 b r2,也可选择阶梯结构的下边缘点,如图3中rl走,和r2也可以取两者的平均值;所有轮 廓线上边缘点的选取原则应一致
GB/T34900一2017 2 具" 端面 端面2 x/mm l 2 图3三维表面形貌中提取的表面轮廓线(',a,e或e 对于轮廓线b,c和d,从表面轮廓线上悬空部分选取不少于5个测量点,通常微双端固支梁悬 空部分中间变形量最大位置为一点,另四点对称分布在其两侧,且微双端固支梁悬空部分的两 侧端部距其最近测量点的距离约为悬空部分长度的十分之 x r2a (re (x G) 选取的5个数据点 0.2 0.4 0.6 0.8 r/mm 图4三维表面形貌中提取的表面轮廓线(b.c或d 4.4.4计算微双端固支梁固定端端面垂线与二维轮廓线方向夹角 选取两条相距最远的表面轮廓线,利用其ry平面坐标来进行夹角的计算,如图2中a'和e' 图5所示夹角a按式(3)式(8)分步计算如下 Q1tan Ar2 a=tan A.rl=rlu" rlu Ar2一|r2. 一工2
GB/34900一2017 Ay=y'一yue a1十Q， xl. 2 A.xl 端面2 端面 A A.x2 (xrl-e,y 2-e',K_e 图5微双端固支梁固定端端面垂线与二维轮廓线方向夹角的计算 4.4.5确定微双端固支梁的端点和面内长度 确定微双端固支梁的端点和面内长度方法如下 确定两固定端端点 a 按照图2提取的表面轮廓线a'，a，e'和e,用式(9)和式(10)计算两固定端端点工轴坐标初始值 rlu 十rlu 十rlu 十rlu " r2u 十x2 十r2u 十r2u ?2= 10 用式(11)和式(12),利用夹角a对两个端点的工轴坐标进行修正 uld=rl 12 v2eml=.r2e一.rln)cosa十.rlne b 用式(13)计算微双端固支梁的面内长度L L= -(c2一xl)cod 13 4.4.6计算残余应变 4.4.6.1修正表面轮廓线坐标 对于任意一条表面轮廓线(b,e或d),利用夹角a对选取的5个测量点r轴坐标进行修正,按 式(14和式(15)进行计算 14 Z，=.2lne xi=.ri一.r,)cosa十.r， 15 式中 第！条轮廓线第i测量点的原始轴坐标; r -第!条轮席线第i测量点修正后的r轴坐标 轮廓线起点的r轴坐标 Z 轮廓线序号,/=b,c,d 测量点序号,i=1,2,3,4,5 44.6.2利用余弦函数拟合表面轮廓线,并计算变形量 修正后测量点坐标为(r',yi,=n),以中心点为公共点,分成两组,第一组是由公共点向左三个点
GB/T34900一2017 第二组是由公共点向右三个点 第一组数据建立余弦丽数方程组,见式(16): a=A,cos(oLz十9， (1l6 z2=AL,cos(wLr2十9， [z8=AL,cos(wLra9, 第 二组数据建立余弦函数方程组,见式(17): z8=A,,cos(w,1ra9， (17 之=A,cos(w,r十9， =A,,cos(w,r',十， 按照附录B规定的方法,分别求解上述方程组(16)和(17),得到两组余弦函数的参数(A w， 9L)和(A,,w,,p-) 并按照附录B规定,分别计算出微双端固支梁第1条轮廓线左右两侧的长度L，和L,,总长度用 式(18)进行计算 Lo，=LL，十L， -*-*- 18 4.4.6.3计算残余应变 通过式(19)计算第条轮廓线的残余应变 19 最终的残余应变值采用式(20)进行计算 20 习/5 注:当微双端固支梁呈向上弯曲变形时,上述计算的残余应变取正值;当微双端固支梁呈向下弯曲变形时,上述计 算的残余应变取负值 5 影响测量不确定度的主要因素 影响MEMS微结构残余应变测量结果不确定度的主要因素包括: 光学干涉显微镜工轴和轴成像放大因子标定误差; a b 光学干涉显微镜轴校正因子标定误差; c 微双端固支梁基座结构边缘点选取位置误差; 微双端固支梁面内长度的测量误差 d 弯曲变形数据拟合和计算的测量误差; 被测对象表面光学属性不同造成的表面形貌测量误差 f 微双编困支梁非对称余弦变形造成的拟合误差" g 重复测量的次数 h
GB/34900一2017 录 附 A 资料性附录 光学干涉显微镜的典型形式和主要技术特点 光学干涉显微镜依据测量原理可主要分为相移干涉、白光扫描干涉、数字全息等,其共同之处是测 量光束在被测对象表面反射后与参考光束形成干涉,被测对象表面高度的变化就使得测量光束在成像 视场上不同位置具有不同的光程,通过解析该光程的变化就获得被测对象的表面形貌,图A.1为一种 相移干涉/白光扫描干涉显微镜的基本结构示意图,两种测量模式要求纳米定位器产生不同形式的机械 运动 白光扫描干涉信号如图A.2所示,其信号可见度不恒定,随扫描位置不同而变化 当测量光与 参考光光程差为零时,干涉信号出现最大值,称之为相干峰 相干峰位置就代表了表面上对应数据点的 相对高度信息,所有数据点的相对高度就组合成了被测对象的三维表面形貌 cCD相机 图像采集卡 孔径光属 视场光黑 分束镜 白光光源 计算机 j 机械运动 纳米定位器 压电控制器 结构 参考镜 干涉物镜 分束镜2 载物台 图A.1光学干涉显微镜的基本结构示意图
GB/T34900一2017 200 150 V 类1/wn 20 40 60 80 100 140 120 扫描步数 图A.2白光扫描干涉信号示意图 光学干涉显微镜在高度方向的测量分辨力一般为0.1nm1nm,相移显微干涉的测量分辨力为 nm,数字全息显微干涉的测量分辨力为0.1nm 白光扫描干 白光扫描干涉的测量分辨力为” 0.lnm， 涉的高度测量范围只受限于高度方向扫描器的范围,可达到数毫米甚至更大;相移显微干涉和数字全息 显微干涉的高度测量范围一般为成像系统的景深,与显微物镜的放大倍率相关,放大倍率越大景深越 小,例如;20×物镜的景深约为数微米 相移显微干涉和数字全息显微干涉通常使用单波长光源,对于 阶梯高度的测量有一个限制条件;阶跃高度差超过四分之一波长时无法进行正确的测量 对于大多数 情况,这一限制不会对离面弯曲变形的测量带来影响,因为微双端固支梁的表面形貌是连续变化的,只 要微双端固支梁产生向下的弯曲变形不会导致与下方的结构相接触,没有必要准确测量出微双端固支 梁基座上表面与下方结构的高度 当存在微双端固支梁产生向下的弯曲变形可能导致与下方结构相接 触时,则需要准确测量出微双端固支梁基座上表面与下方结构的高度,来判断是否接触如果产生了接 触,测量不能进行
GB/34900一2017 附录 B 规范性附录) 拟合表面轮廓线余弦函数和计算变形量 以一条轮廓线计算为例说明 为了使得微双端固支梁的变形量能够精确计算,采用余弦函数拟合表面轮廓线长度,见式(B.1) 1=Aicos(or'十" 2，=A,cos(o.r十" B.1 义=A1cos(w.r3十9 进而得到式(B.2): :1一怎，=Arcos(ar'一Aicos(or' B.2 =A,cos(ar'一Arcos(or z一文 为了简化计算,假定(r',您)处的相位为开,利用式(B.3)进行相应坐标变换(.r- o ),式(B.2)变为 式(B.4): T一w)(y 其中;等于',r'或r' (B.3 w=T十 Acosw B.4 A1cos(w 进而得到式(B.5)一式(B.7): T一w)(r2一r3 B.5 ow=T十 (r了一.r z1一之)cos(w2十义acos(o十文 B.6 义？ cos(w十l 之3 B.7 cos(w十l S 对于式(B.5)和式B.6),初始设置o ，=0,ul心= 1是增量值),解方程得到w 和二aadlk 如果实 际测量值比计算值二al大,则w=u十wa,如果小,则w=w一os 然后令w=w/2,重复以上 计算步骤100次,此时 又=了 ,将最后得到的o带人式(B.7)得到A 对于右端点附近的三个数据 点采用相同方法(第二组数据),得到A， 计算选取轨迹中弯曲固支梁的长度L ,它由左端点1到中心点长度L，加上中心点到右端点 2长度L，得到 左端点到中心点的长度L，计算方法是;将该段曲线沿轴分成100等份坐标转 换后),每一段区间长度L利用式(B.8)(勾股定理)进行计算 L假一 w)'十ue (B.8 l- -wlen 其中,u=A.cos(w),A,=A ,ol利用式(B3)得到 然后利用式(B.9)得到固支梁左半部分的实际长度 .rs一lemd =L (B,9 u 开一wlml 中心点到右端点v2.长度L，计算方法相同

微机电系统（MEMS）技术基于光学干涉的MEMS微结构残余应变测量方法GB/T34900-2017

微机电系统（MEMS）技术是指将微纳米尺度的机械、电子、光学等功能组件集成在一起，形成一个完整的系统。MEMS技术的发展在现代科技领域中扮演着至关重要的角色，因为它可以在小型化的同时提高系统的性能和可靠性。

然而，由于微小尺寸带来的表面效应和材料力学特性变化等问题，MEMS器件的设计和制造都是非常复杂的。其中，微结构的残余应变是评估MEMS器件性能和可靠性的重要指标之一。

传统的微结构残余应变测量方法通常基于SEM或EBSD等技术，但这些方法存在着一些缺陷，如成本高、测试速度慢、数据处理复杂等。为了克服这些问题，研究人员们开始将光学干涉技术应用于微结构残余应变测量中。

所谓光学干涉技术，是指通过光的干涉现象来探测样品内部的形变和应变信息。在微结构残余应变测量中，光学干涉技术可以通过测量MEMS器件表面发生形变时引起的光程差变化，从而推算出残余应变大小。

基于光学干涉的微结构残余应变测量方法具有以下优点：

• 测试速度快，可实现对大量样品的高通量测试；
• 测试精度高，能够实现微米级别的应变测量；
• 无需接触样品表面，避免了机械干扰对测试结果的影响；
• 适用范围广，可测试各种类型的MEMS器件。

此外，GB/T34900-2017标准对基于光学干涉的微结构残余应变测量方法进行了规范和标准化，使得测试结果更加可靠和准确。

总之，基于光学干涉的微结构残余应变测量方法在MEMS技术领域中具有广泛的应用前景，可以提高MEMS器件的性能和可靠性，促进MEMS技术的发展。

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