纳米台阶标准样板的制备和表征

介绍了纳米标准样板在纳米量值溯源体系中的重要作用和制备纳米标准样板的基本要求,设计了适用于多用途的标准值为100nm纳米台阶标准样板的特征结构和制备工艺流程,阐述了纳米测量装置的工作原理以及原子力测头(AFM)、激光聚焦式测头(LFS)、扫描白光干涉测头(SWLIS)的参数指标和适用范围。分别利用纳米测量机(NMM)的多种测头对纳米标准样板进行表征,对SIMT100纳米标准样板A区域开展重复性实验、区域均匀性实验和长时间稳定性实验。结果表明,设计与制备的SIMT100纳米标准样板A区域的高度值具有较好的量值传递特性。台阶标准片的测量重复性、区域均匀性和稳定性的标准偏差均小于1nm。     

纳米尺度标准样片光学表征方法的研究

重点研究了纳米尺度标准样片的光学表征方法。采用基于纳米测量机(NMM)的激光聚焦传感器(LFS)和扫描白光干涉传感器(SWLIS)分别对平面尺度的标准样片和台阶标准样片进行了测量、分析与比较。实验结果表明,利用该纳米测量机LFS对标定值为3μm的TGZ1一维栅格样片进行测量,其扩展不确定度为4.2 nm,实现了精确表征。利用SWLIS测量方法对标定值为49.217μm的SHS8-50.0高台阶标准样板进行测量,测量不确定度分析结果为0.065 7μm,实现了采用光学检测技术跨尺度对纳米尺度精密器件和结构进行表征。扩大了基于纳米测量机光学表征方法的应用范围,有利于纳米几何量量值溯源体系的建立。     

复合型高深宽比沟槽标准样板

硅基MEMS器件中存在大量高深宽比结构,对这些结构进行线宽和深度的无损检测,是当前的热点问题。为了实现对这些高深宽比结构无损测量系统的准确校准,采用半导体工艺研制了一系列高深宽比沟槽标准样板,宽度范围2~30 μm、深度范围10~300 μm,其深宽比最大达到30∶1。为了满足样板的校准功能,设计了多种特征结构,包括辅助定值结构、测量定位结构和定位角结构等,还设计了样板量值的表征与考核方法。考核量值包括线宽尺寸、沟槽深度尺寸和均匀性。使用扫描电镜对标准样板进行了测试,结果表明该标准样板可以用于校准近红外宽光谱干涉显微测量系统。     

纳米线距标准样片的研制和表征

论述了线距标准在扫描电子显微镜(SEM)类测量仪器校准中的重要性和作为标准物质的基本要求,指出了纳米线距标准物质的研制和表征在纳米量值溯源体系中的重要作用。通过材料选择、结构设计和制作工艺优化研制出了线距标称值为100 nm的纳米线距标准样片。利用光学显微镜对样片的表面质量进行初检,利用CD-SEM对样片的表征考核区域进行了均匀性和长期稳定性的测量以及对线距尺寸进行定值,同时对测量结果进行计算分析。实验结果表明,研制的201710001纳米线距标准样片的对比度良好、线条平直,均匀性和稳定性均小于2 nm,且线距尺寸具有溯源性,可作为校准SEM类测量仪器图像放大倍率和图形畸变的标准物质使用。     

Si/SiO2多层膜线宽关键参数精细化表征技术研究

线边缘粗糙度(LER)和线宽粗糙度(LWR)是衡量线宽标准样片质量的重要指标。文中基于自溯源光栅标准物质的自溯源、高精密尺寸结构特性,提出了一种直接溯源型精确校准SEM放大倍率的方法,以实现SEM对线宽标准样片关键参数的测量与表征。利用校准后的SEM,对利用Si/SiO₂多层膜沉积技术制备的线宽名义值为500、200、100 nm样片进行关键参数的测量,采用幅值量化参数的均方根粗糙度RMS描述线边缘粗糙度与线宽粗糙度,并通过图像处理技术确定线边缘位置,对线宽边缘特性进行了精确表征。实验结果表明,名义值为500、200、100 nm对的线宽样片,其实测值分别为459.5、191.0、99.5 nm,σLER分别为2.70、2.35、2.30 nm,σLWR分别为3.90、3.30、2.80 nm,说明了多层膜线宽标准样片线边缘较为平整、线宽变化小、具有良好的均匀性与一致性。基于自溯源标准物质校准SEM的方法缩短了溯源链,提高了SEM的测量精度,实现了线宽及其边缘特性的精确表征,为高精度纳米尺度测量和微电子制造领域提供了计量支持。     

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。     

车轮轮廓检测仪的校准测量研究

本文提出针对车轮轮廓检测仪的校准测量方法,基于车轮综合参数磨损控制指标、轮廓曲线特征位置点量值覆盖,设计制作针对特征位置具有特定赋值的标准器.通过对车轮轮廓检测仪进行的校准测量和测量数据分析,本文所提出的校准测量方法具有可溯源性,设计制作的标准器满足校准测量要求.     

紫外扫描线宽测量系统的研究

设计了一套紫外光学线宽测量系统用于微纳线宽、栅格的测量。在原有深紫外显微镜的基础上,设计了新的探测光路,在成像面设置针孔接收来自样品的光信号,用样品扫描方式来得到样品轮廓。该装置使用紫外光学检测设备减小对象的衍射尺寸,提高检测分辨率,使用激光干涉仪对被测线宽进行溯源。用白光CCD图像实现自动聚焦,确定待测线宽样板平面位置。采用压电陶瓷纳米台在轴向采取序列图像,用聚焦评价函数来判定聚焦清晰度。通过对多种自动聚焦算法性能的比较,采用小波分解自动聚焦算法。确定了紫外成像系统的小波基、分解层数、小波消失矩等参数。     

医用电动洗胃机流量量值溯源技术研究

医用电动洗胃机流量量值的准确性对患者洗胃效果起到关键影响作用,针对电动洗胃机双向非稳流液体流量测量模型开展校准方法研究,研制医用电动洗胃机检测装置将流量量值溯源于质量和时间,解决了临床医疗机构、厂家和计量检测单位不便于现场校准电动洗胃机的问题。实验结果表明,校准装置流量测量范围为50～3 000 mL/min,压力测量范围为-60～90 kPa,满足医用电动洗胃机关键参数溯源要求。     

声子极化激元干涉条纹周期的精密测量研究EI北大核心CSCD

二维材料由于其独特的物理化学性质,对纳米光子学及光电子学的应用与发展具有重要研究价值。特别是二维材料中声子与光子耦合激发产生的声子极化激元高度局域在纳米尺度,在片上光子学的光学操控和能量传输等前沿研究领域具有极大的应用潜力。同时,光电器件制造进入纳米节点,器件应用对材料表征精度具有纳米级的要求。然而目前对声子极化激元特性分析的关键之一在于测量其干涉条纹周期,测量结果准确性依赖于仪器设备校准。因此,为实现对声子极化激元干涉条纹的精确测量,文中提出构建铬原子自溯源型光栅与二维材料的复合结构,分析金属光栅结构周期性变化对二维材料的声子极化激元耦合增强与调制作用,以及基于该原理实现对声子极化激元干涉条纹周期的精密测量。研究实现了测量干涉条纹周期为(261.01±0.34)nm的亚纳米级高精度测量,相比具有不确定度为4 nm的传统拟合测量方式具有可溯源的计量精度,同时实现了对测量仪器的亚纳米级精密校准。自溯源光栅天然溯源至基本自然常数的特性使得测量结果具备极好的准确性和可靠性,为二维材料在微纳光子学器件领域的应用提供了保障。     

反作用轮实现微纳卫星光电跟踪物理仿真

为了验证以反作用轮为执行机构实现姿态机动,完成微纳卫星对运动目标跟踪的可行性,设计了基于单轴气浮台的微纳卫星光电跟踪物理仿真系统。首先,为提高物理仿真系统的性能,分别对反作用轮和气浮台的干扰力矩进行分析;其次,针对反作用轮存在的干扰力矩和加、减速时间常数不对称的问题,设计了增益调度和力矩补偿相结合的反作用轮控制策略;再其次,采用双闭环-速度前馈的控制结构,完成了微纳卫星光电跟踪物理仿真系统的控制系统的设计;最后,为了验证仿真系统的跟踪性能,对作正弦运动的一维靶标进行跟踪。实验表明:对于跟踪最大速度为9（）/s、最大角加速度为4.5（）/s2的正弦运动靶标,物理仿真平台的跟踪精度达到0.4,从而说明以反作用轮为执行机构实现姿态机动,微纳卫星可以实现对运动目标的跟踪。     

不同光阑面积比值高精度测量方法

直接观测太阳的星上定标方案中,设计了直径分别为20 mm和0.5 mm的光阑用于切换观测地球和太阳,两个光阑面积比的高精度测量是保证定标精度的关键。论述了光阑面积的测量原理,基于光阑面积测量的特点,利用激光点阵扫描法和通量比较法分别测得两个光阑与参考光阑的面积比,最终得出Φ20 mm和Φ0.5 mm光阑的面积比值为1604.381,评估合成不确定度为0.046%。为光阑大面积比的高精度测量提供了可行方案,支持直接观测太阳的星上定标方法。     

双通道热红外标准辐亮度计定标方法研究

黑体辐射源作为初级标准,其辐射特性的测量精度决定了整个标准传递链路的不确定度。为了提高黑体的辐亮度测量精度,研制了一台可直接观测黑体辐亮度的双通道热红外标准辐亮度计。根据仪器的工作原理,采用自行研制的高精度水浴黑体获取标准辐亮度计的定标系数。实验结果表明,该辐亮度计的1 h信号非稳定性优于0.3%,定标系数拟合不确定度优于1.23%,5 m通道整体不确定度为0.39%,10 m通道整体不确定度为1.3%。可实现黑体辐亮度与实验室辐射标准之间的传递。     

白光干涉法微观台阶测量

在微纳器件测试与计量标定领域,很多问题都涉及到对微观台阶的高精度测量。白光干涉垂直扫描法具有非接触、精度高、速度快等优点,基于此搭建了白光干涉微观检测系统。利用相移干涉理论,解算出被测微观台阶的空间相对高度信息。通过中值滤波加间隔差分取极值的方法,有效识别出台阶的左右两个边缘,减小了脉冲等噪声带来的干扰。以C#语言编写了WPF形式的检测软件系统,并对标准的微观台阶进行了多次实验。实验结果表明,该方案测量的平均偏差稳定在2nm以内,重复性精度优于0.5%。     

面向特大齿轮的激光跟踪测量精度提升方法

为实现特大齿轮激光跟踪测量精度的提升,采用激光跟踪仪与柔性关节坐标测量臂相结合的测量方式,建立了基于激光跟踪多边测量方法的特大齿轮组合式测量网络。采用柔性关节坐标测量臂蛙跳技术确定激光跟踪仪全局坐标系与柔性关节坐标测量臂坐标系之间的坐标转换关系,实现不同站位下测量臂测量数据的空间配准。引入激光跟踪仪多边测量方法,摒弃其角度测量模块,建立激光跟踪多边测量位置参数标定模型,通过测量冗余数据并对其进行L-M优化迭代,以提高激光跟踪仪的全局控制精度。对建立的组合式测量网络进行仿真实验,分析对比测量数据,组合式测量网络的测量误差平均值为0.007 mm,误差标准差为0.004 mm,相同条件下,使用激光跟踪仪直接测量方法的测量误差平均值为0.044 mm。仿真实验分析表明,该方法显著提升了测量精度,满足了特大齿轮现场齿形测量的要求,具有较好的理论与工程应用价值。     

面向直线顶管机的双屏视觉标靶标定方法与精度评价

针对双屏视觉标靶前、后感光成像屏位姿关系难以标定的问题,提出一种基于坐标点云的感光成像屏位姿标定方法。该方法分别将前、后感光成像屏划分为n行n列的网格阵列,通过全站仪测量感光成像屏上每个网格角点的空间三维坐标,并利用工业相机实时获取感光成像屏上每个网格角点的图像二维坐标,结合图像二维坐标和空间三维坐标获得2D-3D映射关系,从而得到坐标点云数据。根据三公共点坐标系转换算法将坐标点云数据中的三维坐标统一到标靶坐标系下,进而确定相机与前、后感光成像屏的位姿关系,再通过网格索引方法对前、后感光成像屏的位姿关系进行求解。为评价标靶位姿测量精度,设计了静态测量重复性精度评定实验和绝对测量精度评定实验。实验结果表明:该标定方法的坐标静态测量重复性精度为0.13 mm、绝对测量精度为0.93 mm;方位角静态测量重复性精度优于0.01°、绝对测量精度优于0.05°。因此,该标定方法可以实现两个空间平面位姿关系的精确标定,且具有操作简便、精度高等特点,可用于双屏视觉标靶的标定。     

置换法气体流量标准装置的研究

气体流量计量是科学计量的一个重要组成部分,目前采用的气体流量标准装置对于小流量气体计量准确度低,并且校准费用大,实现高精度的气体流量计检定及校准较为困难。本课题利用液体置换法设计了检测高精度气体流量的标准方法,同时该标准装置的研究可以使不同型式的气体流量标准之间的量值比对途径多样化。通过检定结果分析可得出下列结论:该方法可以使装置的扩展不确定度为0.09%,校准精度达到0.2级,达到课题设计的要求。该气体流量标准装置具有操作方便、稳定性高、重复性好等优点,特别是在高准确度小流量气体测量方面具有极大优势。