【摘要】：隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展,各種具有微納尺度和精度的表面不斷出現(xiàn),如集成電路表面、光學(xué)表面和信息存儲表面等。微納表面質(zhì)量保證和制造工藝分析,有賴于準(zhǔn)確的微納表面形貌與結(jié)構(gòu)測量儀器。目前已有掃描電子顯微鏡(SEM)、掃描隧道顯微鏡(STM)以及原子力顯微鏡(AFM)用于微納表面的觀測,難以滿足微納表面的計量測試需要。研究開發(fā)具有計量意義的微納表面形貌與結(jié)構(gòu)測量儀器,具有必要性。本論文研究基于白光干涉的原子力探針掃描微納表面測量方法及關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)基于白光干涉的原子力探針掃描微納表面測量系統(tǒng),實現(xiàn)微納表面的可溯源測量。主要研究內(nèi)容如下:提出了基于梯度壓縮與Hilbert變換的白光干涉零級條紋穩(wěn)健準(zhǔn)確定位算法。針對原子力探針掃描測量過程中,探針懸臂表面的白光干涉信號存在畸變,導(dǎo)致常用的白光干涉零級條紋定位算法失效問題,提出并研究梯度壓縮算法對干涉信號進行去畸變處理,進一步采用Hilbert變換解相位來獲取零級條紋位置,有效保證了白光干涉零級條紋定位的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性。建立了原子力探針懸臂彎曲及相應(yīng)的白光干涉零級條紋位置模型,提出了基于該模型結(jié)合激光干涉位移計量的原子力探針位移實時溯源標(biāo)定方法�；谠恿μ结橃o力學(xué)分析建立其探針位移、懸臂彎曲及白光干涉零級條紋位置關(guān)系模型,以此模型為基礎(chǔ),對高分辨激光干涉位移計量獲取的探針垂直位移及對應(yīng)的白光干涉零級條紋位置系列標(biāo)定數(shù)據(jù)進行擬合,獲得零級條紋位置與探針垂直位移之間的溯源標(biāo)定曲線。提出了一種基于Bouc-Wen模型進行壓電陶瓷磁滯特性補償,實現(xiàn)壓電陶瓷工作臺快速掃描定位的方法。使用Bouc-Wen模型對壓電陶瓷預(yù)掃描獲取的逆磁滯數(shù)據(jù)進行擬合,通過遺傳算法獲取模型參數(shù),得到Bouc-Wen逆磁滯補償模型,進而基于該模型對壓電陶瓷進行開環(huán)前饋控制,實現(xiàn)壓電陶瓷工作臺的準(zhǔn)確快速線性化掃描。建立了原子力探針的動力學(xué)模型,提出了一種基于該模型實現(xiàn)測量參數(shù)優(yōu)化的掃描測量策略,以保證測量系統(tǒng)的穩(wěn)健性。為避免原子力探針在掃描測量過程中與樣件表面分離,產(chǎn)生測量誤差的問題,通過建立原子力探針的動力學(xué)模型,結(jié)合典型表面輪廓模型,數(shù)值仿真分析探針的彈性系數(shù)、等效質(zhì)量以及預(yù)壓量與臨界掃描速度的關(guān)系,進而實現(xiàn)測量中掃描速度和預(yù)壓量等測量參數(shù)優(yōu)化。基于以上關(guān)鍵技術(shù)研究成果,建構(gòu)了白光干涉原子力探針掃描微納表面測量儀器系統(tǒng),通過系列實驗驗證了儀器的準(zhǔn)確性、快速性和穩(wěn)定性。儀器經(jīng)過中國計量科學(xué)研究院的測試及相關(guān)應(yīng)用,證明了其良好特性。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH74

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4 宋炳s

本文編號：2731533