具有曲率突变特征微结构的触针斜率自适应形貌测量方法研究

In the field of micro-manufacturing technology, the surface profile of microstructures needs to be measured with great precision owing to the rapidly increasing complexity of their geometry. The geometric complexity of microstructures is presented by steep surface and it presents a significant challenge. In order to assess the surface profile of such complex microstructures, a slope-adapted probing strategy is proposed to measure the profile of microstructures with steep surface. The research strategy is presented as follows. First, develop a vertical type micro probe system and integrate a XYZ-β four-dimensional scanning probe system; second, research the dynamic feature of the micro probe to illuminate phenomena of stick-slip, stylus jumping, stylus resonance and stylus disturbance, then reveal the law of how the dynamic feature of a micro probe introduce measurement error in different conditions; third, optimize the control strategy of the integrated measurement system; at last, realize the slope-adapted probing strategy for the profile measurement of microstructures with steep surface. This research is oriented to the common issues of precision profile metrology and also the technical requirements of micro-manufacturing technology. It will facilitate solving the issue that the measurement error is sensitive to the slope in probe measurement systems. Furthermore, it also will provide theory and technology supports to increase the maximum detectable angle, reduce measurement error and enhance the measurement accuracy.

针对微制造技术中不断出现的复杂三维拓扑微结构的表面形貌检测问题，提出接触式探针斜率自适应方法，对具有曲率突变特征的微结构进行形貌测量研究。通过研制立式微探针装置，集成XYZ-β四维扫描探针形貌测量系统，研究微探针多场多参数微观动力学特性，阐明微结构形貌测量时探针粘滑失稳、惯性跳动、共振扰动等现象的机理，揭示不同环境要素（样品面形特征、测量速度、采样步距等）下，探针微观动力学行为引入测量误差的规律，优化XYZ-β四维扫描系统的伺服控制策略，建立具有曲率突变特征微结构的接触式探针斜率自适应形貌测量方法。本项研究既符合微制造技术领域关于微结构表面形貌检测的实际工程技术需求，也面向了精密测量技术的共性科学问题；相关研究工作有助于有效解决实体/非实体探针形貌测量系统中测量误差对被测样品斜率敏感的问题，为进一步增大精密形貌测量技术的最大可探测角、减小测量误差、提高测量精度提供理论支持和技术支撑。

我国智能制造高速发展，其中航空航天，高档数控机床与节能环保装备等行业的发展尤为突出，这些行业产品创新与技术升级的一个重要方向是不断利用新型微结构功能器件实现产品新功能、新性能与小型化。例如：飞机外表面的微结构涂层实现防水防冰功能、LED液晶屏利用微结构增亮膜和导光板提高视觉成像效果，太阳能面板的微透镜阵列实现光电转化效能的提高，医疗内窥镜使用微透镜实现探头小型化等。基于微结构功能器件的系统及设备的工作性能主要取决于器件本身的面形精度，如表面形貌精度、阵列的位置尺寸与结构分布精度等。微结构功能器件的面形精度需要可靠的精密检测设备作为其加工质量和工作性能保障的有效手段。.针对精密微小功能器件的形貌测量问题（特别是具有复杂面形的微结构功能器件），提出基于接触式微探针的连续扫描形貌特征测量方法。本课题对具有复杂面形特征的微器件进行形貌测量原理、方法及其应用技术相关研究。通过研制大长-径比、小尖端曲率半径的微探针和超低测量力、高分辨率的微位移传感器，开发多维度扫描探针形貌测量系统，研究探针系统宏/微观动力学特性，阐明宏观环境要素、微观扰动现象和测量设置参数等因素对测量结果的影响机理，并揭示相关因素引入测量误差的规律，研究扫描路径规划方法和微结构形貌重建算法，建立能够适用于具有复杂面形特征微小器件形貌的接触式探针测量方法并构建测量装置。.本项目开展的研究既符合微制造技术领域关于微器件表面形貌检测的实际工程技术需求，也面向了精密测量技术中有关共性科学问题的研究需求；相关研究工作有助于有效解决实体/非实体探针形貌测量系统中探针系统的动态特性分析及其引入测量误差的机理，为进一步强化精密形貌测量技术对复杂面形微器件形貌测量的测量能力、减小测量误差、提高测量精度提供理论支持和技术支撑。