小型自感应原子力显微镜测头及其标定

设计了一种小型轻敲式自感应原子力显微镜(AFM)测头以实现微/纳尺度下的几何量测量.轻敲式测头采用石英音叉式自感应探针,通过自身的电信号输出检测悬臂梁的振幅变化,无需额外的光学传感器.设计了测头的微弱自感应信号放大电路,并补偿音叉寄生电容对测量的干扰.机械结构紧凑便于将测头固定于光学显微镜下观察测量情况,同时屏蔽外界的干扰.利用显微激光多普勒测振系统,标定了测头机电耦合系数为145 nm/V,由此可以计算测头工作频率下悬臂梁的振幅.搭建了以纳米测量机(NMM)为高精度定位平台的测试系统,利用该系统对测头进行进/退针实验,标定测头的灵敏度为0.47 nm/mV,NMM内置的干涉仪保证标定直接溯源至"米"定义.实验表明测头的非线性误差小于1%,测量范围在百纳米级.     

Young’s modulus determination of low-k porous films by improved wide-band LG/LD SAW*

低介电常数介质互连系统是发展高速超大规模集成电路的瓶颈之一。为了更加准确的表征超薄、柔软、易碎的低介电常数多孔介质薄膜的杨氏模量,提出了一种改进的宽带激光激发、激光检测的声表面波(LG/LD SAW)技术。该技术基于光束微偏转敏感检测原理。采用新型的差分共焦检测配置,该技术拓展了常规激光声表面波技术的工作带宽,从而减弱了硬质衬底材料对检测声表面信号的影响,获得了被测超薄多孔低介电常数介质薄膜更为丰富的信息。因此,采用此技术获得的杨氏模量的测量结果更加精确。阐述了该技术的检测原理。并采用该技术测试了Si (100) 上的多孔二氧化硅薄膜。在常规激光声表面波技术的工作频段和该技术获得的高频段对实验获得的色散曲线与理论计算的色散曲线进行了拟合。对比这两个频段内的拟合结果表明,该技术极大提高了薄膜杨氏模量的测量精度,且适用于多孔低介电常数介质薄膜的杨氏模量测量。     

微悬臂梁谐振技术检测溶液粘度的研究

提出了一种测量溶液粘度的微悬臂梁谐振技术。推导了溶液粘度与微悬臂梁的谐振频率的理论关系式，并利用原子力显微镜的微悬臂梁测量了不同质量分数的甘油溶液和蔗糖溶液的粘度。与落球法测量结果的比较表明，利用微悬臂梁谐振频率技术测量液体粘度的误差小于4％。这种方法不仅可以作为液体粘度的一般性测量方法，也可以通过检测溶液粘度变化来监测溶液中的化学反应。     

高精度的超声波在线流量测量

针对超声波检测流量过程中的流场分布问题，提出一种高精度在线检测的实用方法及其实现装置。基于混合长度理论对流速进行补偿，建立了测量的数学模型，给出了测量系统的结构框图，并且分析了测量误差的来源以及消除误差的方法。     

MEMS动态测试技术

阐述了基于频闪成像、计算机视觉和干涉测量的MEMS动态测试技术、基于激光多普勒测振的MEMS动态测试技术以及基于其他原理和方法的MEMS动态测试技术等的测试原理、测试方法与研究现状,指出了MEMS动态测试技术进一步的研究方向。     

基于弯曲测试技术的纳米梁厚度的精密测量

针对广泛应用的扫描电镜和台阶仪在测量纳米厚度时存在的破坏性和近似性等局限性，提出了一种基于弯曲测试技术实现纳米梁厚度精密测量的方法．该方法的核心思想是悬浮结构在载荷的作用下产生初始弯曲直至其下表面与衬底接触的过程中形成的载荷一位移曲线会出现斜率明显不同的两个直线段，其交点代表了悬浮结构下表面与衬底之间的初始接触，由此可测量出该悬浮结构下表面与衬底之间的间隙，从而间接得到结构的厚度值．分别采用原子力显微镜（AFM）和纳米压痕仪作为测试平台对单晶硅固支纳米梁进行了厚度测量，两种测量仪器得到了一致性较好的测量结果．讨论了测量随机误差、系统误差以及数据计算误差等对测试结果的影响和相应的误差降低方法．     

纳秒脉冲激光照射对多壁碳纳米管薄膜形貌的影响

采用化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)自制的碳纳米管阵列为原料,经过研磨、灼烧纯化得到分散的多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs).采用纳秒脉冲激光(波长355 nm),分别在不同条件下对丝网印刷法制备的MWCNTs薄膜进行照射.扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)表征结果表明,进行相互垂直的双向扫描照射的效果明显好于单向扫描照射的效果,即由前者得到的MWCNTs的网状结构的立体感更明显,单位面积的MWCNTs端点更多;随着脉冲激光能量密度的逐渐增加,突出于表面的MWCNTs端点逐渐增多,以MWCNTs为主的网状分布的轮廓逐渐清晰;脉冲激光重复频率的增加,也有利于改善MWCNTs薄膜表面的形貌.经过脉冲激光能量51.0μJ(1.03 W)、频率20 kHz的脉冲激光照射后,得到以MWCNTs为主的、立体感显著、比较稀疏的网状分布结构,且单位面积的MWCNTs端点数目显著增多.     

基于隧道效应的纳米级振动传感器的研究

从研究STM仪器对振动的敏感性出发，对基于隧道效应的纳米振动传感器的理论、技术及实现方法进行了初步的研究和探索，研制了具有压电陶瓷结构的传感器样机模型，并进行了振动检测试验。结果表明，基于隧道效应的测振传感器具有很高的灵敏度、良好的频率特性和与STM仪器一致的振动响应特性。     

采用变速白光扫描干涉术测量大尺度台阶结构

针对传统白光扫描干涉术在对一些垂直尺度较大器件的测试中,存在测量时间长、信号利用率低等问题,本文提出了应用于白光扫描干涉测量的变速扫描策略,并开发了基于预定义模式的变速扫描和基于自动对焦模式的变速扫描两种具体的实现方式。本文方法能够控制测量系统仅在有干涉条纹存在的空间区域采集图像,而在其它区域加速运行,从而提高了测试效率。测量过程中,通过编写的测量软件控制纳米测量机(NMM),并利用NMM的高精度定位能力实现变速扫描。实验测试了一个100μm台阶结构,相对传统固定步长扫描法,变速扫描在保持高精度的基础上提高了测量效率。     

大功率脉冲激光光斑面积的实时控制系统

讨论了大功率脉冲激光光斑面积的实时检测与控制方法,研制了采用波长532 nm的连续激光器和CCD—FPGA技术来脉冲激光光斑面积实时控制系统。实验分析了本系统的技术特性:激光光斑、CCD视频信号以及二值化信号;CCD视频信号二值化阈值为405 mV,而FPGA的控制误差范围为十进制数24;计算及标定激光光斑面积,光斑面积测量的相对误差最大为0.5%,而绝对误差在8μm2范围内。本系统可以直接应用于激光微抛光的能量密度实时控制。