[发明专利]一种微纳跨尺度表面结构快速测量方法和装置

说明书

本发明公开了一种微纳跨尺度表面结构快速测量方法和装置，属于光学和电子制造精密测量领域。本发明以白光干涉的微纳跨尺度表面结构测量装置为基础，通过改变压电工作台扫描策略和白光干涉信号采样方式，实现快速高精度测量。第一，压电工作台预扫描，采用位移传感器采集工作台在等时间间隔移动下的位移数据；第二，利用神经网络算法进行时间‑位移曲线高精度拟合，得到等位移间隔对应的非均匀时间序列；第三，在硅悬臂梁纳米测量模式下放置待测样品，压电工作台按预扫描参数往复运动，同时信号采集卡按等位移间距对应的非均匀时间序列对硅悬臂梁上表面的白光干涉信号进行采样；第四，对白光干涉信号进行数据处理获得样品表面三维结构，完成测量。

技术领域

本发明属于光学和电子制造精密测量、微纳制造技术领域，更具体地，涉及一种微纳跨尺度表面结构快速测量方法和装置。

背景技术

随着微纳制造及精密测量技术的发展，跨尺度微米纳米组合表面结构成为光电子、IC、MEMS、太阳能电池、激光全息防伪、平面显示等领域关键部件重要的表面特征。这些特征整体宏观尺寸逐渐增大，精度要求不断提高，因此快速准确的测量是微纳跨尺度表面结构测量系统的关键技术要求。

以白光干涉为基础，融合白光干涉与硅悬臂纳米探针测量两种测量模式的白光干涉硅悬臂纳米探针测量系统，具有白光干涉、硅悬臂纳米探针两种测量模式，能够分别实现IC、MEMS等制造领域中微米、纳米和微纳米跨尺度组合表面结构的测量。

然而，在微纳跨尺度表面结构测量系统中，由于压电工作台存在复杂的非线性迟滞效应，导致压电工作台定位精度低，从而使得基于对应压电工作台扫描等时间间隔采集的白光干涉信号重建表面结构出现畸变，最终降低表面结构测量精度。

闭环控制是压电陶瓷扫描台迟滞补偿的主要方法。然而，闭环控制极大地降低了压电驱动扫描速度。为了提高微纳表面测量中压电驱动扫描速度，现有研究采用基于逆迟滞模型的前馈控制。但压电陶瓷迟滞环的形状与驱动电压的施加过程、大小、频率以及负载相关，这些因素都影响压电陶瓷迟滞特性曲线建模及模型参数选择。在每次使用微纳跨尺度表面结构测量系统对样品进行扫描测量时，随着样品及测试要求的不同，上述每个参数都可能变化，这对模型的准确性及适应度都提出极高要求，线性化精度大为降低，进而影响测量结果的准确性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微纳跨尺度表面结构快速测量方法和装置，其目的在于，采用基于白光干涉原理的微纳跨尺度表面结构测量装置的压电工作台首先进行预扫描，利用电容传感器获取工作台的时间-位移数据，随后利用BP神经网络算法拟合时间-位移曲线，此步骤即可获得压电工作台的工作曲线，基于该工作曲线即可采用开环控制模式下实现压电工作台的高精度定位控制，由此解决闭环控制测量速度慢的技术问题。随后基于BP神经网络拟合的曲线，经过进一步计算，求得等位移间隔的时间序列，信号采集卡按该时间序列进行白光干涉信号采集，由此解决因采样距离不均造成表面重建图像畸变进而导致测量精度低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微纳跨尺度表面结构快速测量方法，包括：

S1.根据被测样品的尺寸大小，设置压电工作台的扫描速度和范围；

S2.在基于白光干涉原理的硅悬臂梁纳米测量模式下，上位机向压电工作台发送测量扫描控制信号，通过开环控制使压电工作台扫描运动；

S3.利用位移电容传感器等时间间隔采集压电工作台的位移数据，获得一系列时间-位移离散数据集；

S4.对获得的时间-位移离散数据集进行非线性曲线拟合，得到压电工作台的扫描时间-位移曲线模型；

S5.根据压电工作台的扫描时间-位移曲线模型，计算得到压电工作台扫描等间距位移所对应的非均匀时间序列；