GB/T34894-2017
微机电系统（MEMS）技术基于光学干涉的MEMS微结构应变梯度测量方法
Micro-electromechanicalsystemtechnology—MeasuringmethodforstraingradientmeasurementsofMEMSmicrostructuresusinganopticalinterferometer
- 中国标准分类号（CCS）L55
- 国际标准分类号（ICS）31.200
- 实施日期2018-05-01
- 文件格式PDF
- 文本页数11页
- 文件大小834.63KB
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微机电系统（MEMS）技术基于光学干涉的MEMS微结构应变梯度测量方法
国家标准 GB/T34894一2017 微机电系统(MIEMS)技术 基于光学干涉的MEMS微结构 应变梯度测量方法 Mier0eleeromechaniealsystemmtechnology一Measuringmethod forstraingradienteasurementsofMEMSmicrostructures usingan.optiealinterferometer 2017-11-01发布 2018-05-01实施 中华人民共利国国家质量监督检验检疙总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/34894一2017 目 次 前言 范围 2 规范性引用文件 术语和定义
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+ 测量方法 影响测量不确定度的主要因素 附录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
GB/34894一2017 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;中机生产力促进中心,天津大学、国家仪器仪表元器件质量监督检验中心、 电子科技集团公司第十三研究所、南京理工大学
本标准主要起草人;胡晓东、郭彤、程红兵、于振毅、李海斌、崔波、,朱悦、裘安萍
GB/34894一2017 微机电系统(MEMs)技术 基于光学干涉的MEMS微结构 应变梯度测量方法 范围 本标准规定了基于光学干涉显微镜获取的微悬臂梁结构表面形貌进行应变梯度测量的方法
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悬臂梁结构 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产品儿何技术规范(GPS)表面结构轮廓法术语、定义及表面结构参数 GB/T2611l1微机电系统(MEMS)技术术语 微机电系统(MEMs)技术微儿何量评定总则 GB/T26113 GB/T348932017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/T348932017界定的以及下列术语和定义适用于本文件
3.1 应变梯度straingradient 结构内部单位长度的应变变化值 测量方法 4.1总则 4.1.1悬臂梁是薄膜力学特性测量中最常用的测量结构,如基于表面MEMSs工艺制作的微悬臂梁,通 过去除牺牲层释放结构层实现可动结构
在残余应力作用下,释放的微悬臂梁结构将产生弯曲变形(如 图1所示),通过弯曲变形的测量获取微悬臂梁的应变梯度
GB/T34894一2017 悬臂粱 端面2 固定端 端面1 图1表面MEMs工艺制作的微悬臂梁三维图 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 程度的计算获取应变梯度
4.1.3对于提取的二维轮廓线与微悬臂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;15C一35C; 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. 4.3.2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铀校正因子进行标定 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(l)进行计算: K，=g/pn 式中 K 成像放大因子，i为或y; 栅线间距,单位为微米(4m); 栅线间像素数
n 轴校正因子的标定使用台阶高度样板(通常台阶高度为100nm),轴的校正因子按照式(2)进 行计算
GB/34894一2017 C=h,/h 式中 C 文轴校正因子 -标准台阶高度,单位为纳米(nm); ho 台阶高度仪器示值,单位为纳米(G nm 4.4测量步骤 4.4.1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,使微悬臂梁的起止点 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
从中选取微悬臂梁固定端部分 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 a 按照微悬臂梁固定端端面垂线所对应的轴向(
轴或》轴)提取表面轮廓线,轴方向提取的 5条表面轮廓线见图2,其中表面轮廓线a和e(只包含微悬臂梁固定端部分,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同时包含微悬臂梁固定端部分和悬空部分)的典 型表现形式见图4; 端面2 端面1 基座 图2选择5条轮廓线进行应变梯度的计算 b)对于表面轮廓线a和e,边缘点的选择可选择阶梯结构的上边缘点,如图3中rl,也可选择 阶梯结构的下边缘点如图3中xla,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/T34894一2017 端面1 0.6 0.9 x/mm 图3三维表面形貌中提取的表面轮廓线(a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3个测量点,通常微悬臂梁悬空部 c 分中央选取一点,另两点对称分布在其两侧,且微悬臂梁悬空部分的端部和尾部距其最近测量 点的距离约为悬空部分长度的六分之一
选取的3个数据点 x3,3 (x2,2 r1 0.6 x/mm 图4三维表面形貌中提取的表面轮廓线(b,c或) 4.4.4计算微悬臂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)一式(5)分步计算如下 3 Ar=|.rl一.rluel y=|y
一ya
Ar
K 5 =tan -Ay
GB/34894一2017 端面1 u，%u A .xue，'ue 图5微悬臂梁固定端端面垂线与二维轮廓线方向夹角的计算 4.4.5确定微悬臂梁的端点 按照图2提取的表面轮廓线a和e,用式(6)计算端点r轴坐标 .rl
十.rl
rlae= 4.4.6计算应变梯度 计算应变梯度方法如下: 对于任意一条表面轮廓线(b,c或d),利用夹角a对选取的3个测量点r轴坐标进行修正,按 a 式(7)和式(8)进行计算
z，=rle r=(.r .r，)cosa十. 式中: .Z， -第1条轮廓线第测量点的原始r轴坐标; 第1条轮廓线第i测量点修正后的工轴坐标; 轮廓线起点的
轴坐标 -轮廓线序号,t=b,c,d; 测量点序号，i=1,2,3
修正后测量点坐标分别为(z'， ,在r这平面坐标系内建立以下圆方程 b i，yi，之i 十、Ra, 9 R;十.r =b十VRr一4, 式中 a,b. 第1条轮廓线拟合圆的圆心坐标; R 第，条轮廓线拟合圆的半径
求解方程组(9)得到d,,b和R,,利用式(10)计算得到应变梯度
(10 R，/3 注，当微悬臂梁呈向上弯曲变形时.上述计算的应变梯度取正值;当微悬臂梁呈向下弯曲变形时,上述计算的应变 梯度取负值
GB/T34894一2017 5 影响测量不确定度的主要因素 影响MEMS微结构应变梯度测量结果不确定度的主要因素包括 a 光学干涉显微镜轴和》轴成像放大因子标定误差; b 光学干涉显微镜二轴校正因子标定误差; c 微悬臂梁基座结构边缘点选取位置误差; d 被测对象表面光学属性不同造成的表面形貌测量误差 e 微悬臂梁非圆弧变形造成的拟合误差; fD 重复测量的次数
GB/34894一2017 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 孔径光闹 视场光闹 分束镜 白光光源 计算机 10 压电控制器 纳米定位器 机械运动 结构 参考镜 干涉物镜 分束镜2 样品 载物台 图A.1 光学干涉显微镜的基本结构示意图
GB/T34894一2017 200 1o 10oAV^ 要 20 40 60 80 100 120 140 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0.1 ,相移显微干涉的测量分辨力为 nm一lnm， 0.1nm白光扫描干涉的测量分辨力为1nm,数字全息显微干涉的测量分辨力为0.1nm
白光扫描干 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,因为微悬臂梁的表面形貌是连续变化的,只要微 悬臂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悬臂梁基座上表面 与下方结构的高度
当存在微悬臂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 测量出微悬臂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
微机电系统（MEMS）技术基于光学干涉的MEMS微结构应变梯度测量方法GB/T34894-2017
随着科技发展和人类对微观世界的认知不断深入，微机电系统（MEMS）技术已经成为当今研究领域的热点之一。MEMS技术是一种通过微加工技术制造微型机械、微传感器、微执行器等微型元件，并将它们集成在一起形成微系统的技术。
在MEMS中，应变梯度测量是非常重要的一项技术，它可以帮助我们更好地理解和控制微机电系统的性能。而基于光学干涉的MEMS微结构应变梯度测量方法GB/T34894-2017是一项非常重要的技术标准，它为MEMS应变梯度测量提供了规范。
该标准主要针对微结构应变梯度测量方法进行规范，其中包括了两种具体的检测方法：全息干涉法和多点扫描法。通过这些方法的研究和应用，可以实现对MEMS微结构应变梯度的快速、高精度测量。
基于光学干涉的MEMS微结构应变梯度测量方法具有无接触、高精度、高灵敏度等优点，在MEMS元件的制造、设计和性能评价等方面得到了广泛应用。同时，该技术也为MEMS在生物医学、环境监测、信息通信等领域的应用提供了强有力的支持。
总之，GB/T34894-2017标准是一项非常重要的技术标准，它为MEMS技术的发展提供了强有力的支持。未来，随着科技的不断进步和新技术的不断涌现，我们相信MEMS技术将会在更多的领域得到应用，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
