多维栅格标准样板的制备与表征

栅格标准样板作为微纳米几何量量值溯源体系中的重要组成部分,是纳米科技发展的基础保障。为了实现微纳米尺寸栅格结构有效区域的快速循迹与校准,文中设计了一种便于快速定位有效区域并栅格结构正交扫描方向的循迹结构。为了实现不同精度、尺寸范围的校准需求,在同一基板上实现了多维、多参数的横向栅格标准样板的结构设计与集成。使用计量型纳米测量机（NMM）对微纳米栅格标准样板测量误差进行了分析与评价,以实现标准样板的溯源性表征。实验结果表明,栅格标准样板具有良好的均匀性、准确性以及稳定性,验证了研制的栅格标准样板能作为一种理想的实物标准运用于纳米几何量量值溯源体系。     

基于大高宽比CD-AFM探针的设计与制备

针对传统原子力显微镜(AFM)探针和关键尺寸原子力显微镜(CD-AFM)探针受限于针尖有效扫描高度较低,无法对深沟槽和大悬垂侧壁结构进行精准扫描成像的问题,提出了一种大高宽比针尖结构的新型CDAFM探针设计与制备方案。开发的新型CD-AFM 探针针尖有效高度为5.1~5.8 μm,高宽比达到14,相较于传统硅基CD-AFM 探针,其有效高度提升了约4倍。利用开发的探针完成了标称深度为2.3 μm、深宽比为4.6的深沟槽样品测试。     

平面微电机定子线圈制作工艺研究

为了在平面微电机有限大尺寸的定子上制作高深宽比结构的绕组线圈,对高深宽比微结构的制作工艺进行了研究,综合比较各方面因素,从中找出了成品率高、可重复性好、工艺步骤尽量简单的平面线圈制作工艺,即在硅沟槽里通过微电铸得到高深宽比平面铜线圈的深刻蚀成型电铸工艺,并分析了光刻工艺关键参数之间的关系及对后续工艺的影响。通过该工艺制作的直径为10 mm的定子线圈深宽比大(宽40μm、深80μm),无空洞,并且在工艺上还有很大的深宽比挖掘潜力。该工艺亦可应用于其他需要高深宽比平面线圈的微执行器的制作中。     

光学元件表面疵病标准板系统设计

为解决大口径光学元件表面疵病检测设备的精确测量、校准和溯源问题。设计了用于标定表面疵病检测系统的标准板,通过电子束曝光将定标图案转移至掩模板,再采用反应离子束刻蚀的方法制作标准板。通过扫描电镜测量标准板上各标准线的真实线宽尺寸,并以扫描电镜测量结果为参考值标定大口径表面疵病检测系统。利用所设计的标准板标定基于散射成像法的大口径表面疵病检测系统。结果表明,当疵病线宽尺寸大于45 μm时,疵病的散射像满足几何成像原理,当疵病宽度尺寸小于45 μm时,需按标定结果进行计算。     

基于3D打印技术的眼科OCT设备计量校准装置研制

为了评估眼科光学相干断层成像（OCT）设备的分辨率、视场角、图像匹配度、深度测量准确性等多个关键参数,确保设备输出量值的准确性与有效性,设计并研制了一种模拟真实人眼结构且参数可溯源的模拟眼,包含角膜和晶状体等人眼主要屈光结构。设计并依托3D打印技术加工了用于横向与轴向分辨率检测的三维分辨率板;设计加工了用于视场角检测的阶梯状同心圆环结构;同时设计加工了用于图像匹配度检测的交叉光纤组件和用于深度测量准确性参数检测的平行玻璃板组件,可适配于模拟眼眼底凹槽内。使用共焦拉曼显微镜对三维分辨率板尺寸溯源,横向和轴向最小可检测分辨率分别为9.7 μm和5.7 μm;使用尼康投影仪对同心圆环尺寸及光纤直径溯源,最大可检测视场角109.03°以及最小62.5 μm的图像匹配度检测;使用尼康高度计对平行玻璃板中心厚度溯源,其测量不确定度小于5 μm。经过对商用眼科OCT设备测试表明,结合微纳3D打印技术的计量校准用模拟眼具有精度高、集成度高、适用范围广、稳定性强等优点,适用于眼科OCT设备的计量校准。     

基于同步辐射光刻工艺和电铸工艺的金属纳米光栅模具制备

随着微电子技术的发展,有必要研究在基板上制备高深宽比并拥有垂直侧壁的微纳结构。基于X射线可以制备高质量的纳米母光栅,利用精密纳米电铸技术从母光栅中复制出高质量的微纳金属光栅模具。研究了一种高深宽比的金属镍光栅模具的制备技术。基于同步辐射光刻技术,在硅基板上制备线宽分别为0.25,0.5,1μm,高2.0μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光栅。利用精密电铸技术,得到线宽分别为0.25,0.5,1μm的金属镍纳米光栅模具,1μm的金属光栅深宽比达1.5。为了获得高质量的PMMA纳米光栅母模,使用了粘接剂,克服了光栅倒伏的缺陷,优化曝光参数,消除了结构底部出现的多余的小三角形结构。     

高深宽比倾斜沟槽的深硅刻蚀技术

针对微电子机械系统(MEMS)行业对3D加工日益增长的需求,提出了一种结合法拉第笼和倾斜衬底支架,利用改进的BOSCH工艺进行任意角度深硅刻蚀的创新工艺方案。首先通过仿真计算对法拉第笼的特征尺寸进行了优化,进一步采用法拉第笼和用于制备倾角的衬底支架,对BOSCH工艺参数进行了调整,最终获得了倾角为30°、深度超过25μm、深宽比高达7.9∶1的倾斜沟槽。结果表明利用法拉第笼和倾斜衬底支架,采用深硅刻蚀工艺可以制备高深宽比的倾斜沟槽,而且沟槽角度可以通过加工不同倾角的支架实现。结合法拉第笼和倾斜衬底支架进行等离子体刻蚀可为其他倾斜结构的制备工艺提供参考。     

基于双面盲孔电镀的硅通孔工艺研究

针对当前微机电系统(MEMS)发展对小型化封装的需求,设计了 一种高可靠性、低成本、高深宽比的硅通孔(TSV)结构工艺流程.该工艺流程的核心是双面盲孔电镀,将TSV结构的金属填充分为正、反两次填充,最后获得了深度为155 μm、直径为41μm的TSV结构.使用功率器件分析仪对TSV结构的电学性能进行了测试,使用X光检测...     

电子束零宽度线曝光及其应用

为了提高电子束光刻的图形质量及光刻分辨率,从入射束能和束流密度等方面探讨了克服邻近效应影响的途径,在制备亚30 nm结构图形时采用零宽度线曝光的方法。该方法把版图上线条的宽度设为零,因此该线条的光刻尺寸取决于电子束束斑大小、曝光剂量与显影条件。在400 nm厚HSQ抗蚀剂层上通过零宽度线曝光技术制作出了线宽20 nm网状结构的抗蚀剂图形,实验证明采用零宽度线曝光技术可以比较容易地制作出密集线以及高深宽比的抗蚀剂图形。将该技术应用到扫描电镜放大倍率校准标准样品的制备,取得了较好的效果。零宽度线曝光技术是实现电子束直写曝光极限分辨率的有效方法。     

基于泰伯-莫尔干涉技术的焦距测量系统校准技术研究

研制了一套用于测量超长焦距的泰伯-莫尔干涉仪,并设计了一套校准设备和方法对泰伯-莫尔干涉仪的测量不确定度进行评定,核准焦距范围达100 m。校准设备包括了一套焦距发生器和激光光源,利用经过计量的标准透镜和实验对焦距发生器进行标定、测量和量值溯源。通过实验结果分析和计算,可知该校准技术具有良好的测量不确定度,能够对基于泰伯-莫尔方法的焦距测量系统进行精确校准。     

微型电场传感器在工频电场测量中的应用研究

该文基于高性能的MEMS电场敏感芯片研制出一种新型的工频电场测量系统。针对芯片调制被测电场后其输出信号的特征,采用正交相关检测原理提出一种可抑制背景干扰噪声的工频电场解调算法,设计出小型化、空间分辨力高的工频电场测量探头,并在基础上提出MEMS工频电场测量系统的系统级设计方案,成功实现了MEMS电场敏感芯片输出信号的无线采集、滤波、以及电场信号的高精度解调。高压输电线路下工频电场测量结果表明,MEMS工频电场测量系统与传统电场测量仪的测量结果具有良好的一致性。     

基于近红外光谱的梨果糖浓度无损检测系统

应用近红外光谱漫发射技术设计了梨果的糖浓度无损便携式检测系统,建立了近红外光谱和梨的糖浓度值之间的关系。以850nm激光二极管作为背景光源,905nm作为特征光源,设计了用于梨的糖浓度无损检测的便携式仪器。将校正集样本结合偏最小二乘法进行建模,并对预测集进行预测。同时使用标准仪器测得梨果糖度标准值,得到了标准糖度值和预测值之间的相关图。其中校正集相关系数为0．99186,RMSEC为0．00175,由此模型进行预测时所得到的预测集相关系数为0．8262,RMSEP=0．00808。实验初步证明,文中所设计仪器可对同一种类的梨的糖浓度进行无损测量。     

兼顾照明的室内可见光定位系统研究

为了解决目前室内定位算法精度不高等问题,设计了一套兼顾照明与定位的可见光室内定位装置。首先按照国际照度标准对室内光源进行了布局,然后设计了强度调制/直接检测的可见光收发系统和以STM32为核心处理器的室内定位系统平台,最后采用多点标定相对定位方法,实现了目标点坐标及区域的标定。结果表明,在满足照明的条件下,测量误差低于10cm,部分定位区域的测量误差为3cm,甚至0cm;误差分辨率为0.1cm,相对误差小于10cm。该研究为目前室内定位技术提供了一种方案。     

三轴加速度计在水下结构振动测试中的应用

采用基于MEMS技术的ADXL330三轴加速度计芯片,设计了适合水下结构振动测试的加速度传感器,并应用于某输水管线闸门振动监测系统中。分析了ADXL330结构、原理和标定方法。根据水下结构振动测试特点和要求,设计了应用电路、防水结构以及振动测试系统。现场应用表明,采用该芯片设计的三轴加速度传感器能够满足水下结构振动监测的需要,具有低成本、高精度、易安装和安全可靠等特点。     

基于三元阵列式MEMS水听器的被动定位系统设计

声纳系统是水下武器装备的重要组成部分,其发展趋向隐蔽性、小型化。文章提出了一种基于小型化三元阵列式微机电系统(MEMS)水听器的被动定位系统。首先,设计了一种三元阵列式MEMS水听器,即在同一芯片上集成三个不同角度偏差的MEMS矢量敏感单元;其次,在充分分析水听器工作原理的基础上建立了阵列式水听器的定位模型,并通过仿真验证了其设计的合理性;最后,以STM32单片机为控制核心设计了阵列式MEMS水听器的信号处理与目标定位系统。这种三元阵列式MEMS水听器在仿真定位中展现了良好的定位精度,充分证明了本系统设计的正确性及实用性。     

微型四旋翼无人机磁测系统误差的两步校准法研究

用于地磁测量的MEMS三轴磁阻传感器越来越普遍的应用到无人机上进行姿态测量,为提高磁测系统的测量精度需要对传感器误差进行分析和补偿。现采用了一种两步校准法,即首先利用基于最小二乘的椭球假设拟合法对三轴矢量磁传感器的零偏、灵敏度与不正交误差进行标定补偿,目的是得到准确正交的传感器坐标系;利用四位置法对标定后传感器坐标系与测量系统坐标系之间的安装误差进行校准,从而得到磁测系统坐标系下的准确测量数据。无磁转台实验表明：经两步法后测量的磁场模值误差均值由校准前的2900nT降低为900nT,校准效果明显;测量系统单轴（Z轴）的误差均值由2736nT降低为49nT,有效的验证了安装误差校准的正确性。通过实验数据比较得出此方法优于传统的摇摆法,实际操作简单,不需要高精度辅助设备,能够有效的应用于无人机姿态测量系统校准,提高姿态角解算精度。     

基于全局空间控制的高精度柔性视觉测量系统研究

针对传统机器人视觉测量系统中测量精度受机器人绝对定位精度限制的问题,构建了基于全局空间控制的高精度柔性视觉测量系统并研究其标定技术。通过全局空间测量定位系统实现机器人末端工具的高精度实时控制,可以突破机器人自身定位精度的限制,充分发挥其高度柔性的运动特性。为实现系统高精度测量,提出一种基于单应性矩阵的视觉传感器外参标定方法,该方法仅需对所设计的平面靶标进行一次成像,结合激光跟踪仪进行坐标转换即可实现传感器坐标系与外部参考坐标系之间坐标转换关系的精确标定。实验结果表明,基于全局空间控制的机器人视觉测量系统在其工作空间中距离测量精度优于0.2/mm,较传统的机器人视觉测量系统得到显著提高。     

多层圆片级堆叠THz硅微波导结构的制作

基于微电子机械系统(MEMS)工艺,提出一种多层圆片堆叠的THz硅微波导结构及其制作方法。为了验证该结构在制作THz无源器件中的优势,基于6层圆片堆叠的硅微波导结构,设计了一种中心频率365 GHz、带宽80 GHz的功率分配/合成结构,并对其进行了仿真。研究了制作该结构的工艺流程,攻克了工艺过程中的关键技术,包括硅深槽刻蚀技术和多层热压键合技术,并给出了工艺结果。最终实现了多层圆片堆叠功率分配/合成结构的工艺制作和测试。测试结果表明,尽管样品的插入损耗较仿真值增加3 dB左右,考虑到加工误差和夹具损耗等情况,样品主要技术指标与设计值较为一致。     

Noncontact measurement using line-scan cameras: Analysis ofpositioning error

A multiprocessor camera controller has been designed and developed for real-time operation of high-resolution industrial CCD (charge coupled device) line-scan cameras. A three-camera system is capable of measuring length, width, height, and volume of steel slabs. Data captured by one camera are made available to other camera processors. A computation scheme is developed to correlate information for accurate cooperative measurement. There are two major sources of measurement errors. Digitizing error has been examined elsewhere, and a 0.1 subpixel accuracy is achievable by appropriate processing. The authors consider positioning errors with emphasis on camera positioning. The cooperative measurement and computation scheme measures object translation and compensates its effect to a certain degree. It is shown that, with calibration, measurement errors caused by camera positioning can be kept error caused by camera positioning can be kept within 0.2%