儀器設計概獻閱讀報告

本文格式為Word版，下載可任意編輯——儀器設計概獻閱讀報告

《儀器設計概論》文獻閱讀報告

姓名：謝宇辰

學號：202328017826016專業(yè)：微電子與固體電子學

培養(yǎng)單位：蘇州納米技術與納米仿生研究所日期：2023.7.2

1學習本課程的目的與意義

本科學習的專業(yè)是自動化，在學習期間也做了不少比賽與老師的小項目，對于儀器和傳感器類的知識有著不少的興趣，研究生階段選擇微電子與固體電子學，導師的研究方向其中之一是基于掃描探針顯微鏡的微納米尺度光、電、力學綜合測試分析設備和相關技術，因而選擇該課程更多的是出于興趣，一方面是了解儀器設計的知識概況，另一方面希望看到新的儀器的研究方向與進展拓寬視野，在課程學習過程中光學器件類的原理相對把握較少，之前所用的攝像頭，CCD，激光傳感器都只是了解其采集信號的原理，對于確切度等方面沒有細心思考，經(jīng)過課程學習，在光學儀器設計過程中的好多注意方向也有了認識，收獲較多的在講電控有關知識的那節(jié)課，除了好多自己熟悉知識的回想，老師對于卡爾曼濾波的解釋讓我對該濾波器有了更深的的認識，之前自己只是通過現(xiàn)成代碼對信號進行卡爾曼濾波，可對于其原理可程序中參數(shù)調理的原理思路很模糊，在該課程過后，不能說完全理解，但有了新的認識和理解，今后如有機遇繼續(xù)使用該算法相信自己會更得心應手。

2國內(nèi)外研究與應用現(xiàn)狀

在文獻閱讀過程中優(yōu)先選擇了表面粗糙度有關的文獻，在研究生階段，由于要有好多試驗使用掃面電鏡，原子力顯微鏡，PL（光致發(fā)光）等測試手段對材料表面的形貌進行分析，因而選擇這篇文獻做主要閱讀。閱讀報告所查閱的相關資料更多的也是與這個方向相關的，同時自己還大致閱讀了納機電系統(tǒng)，文章簡單對該方向進行了客觀的評價與介紹，由于制造工藝部分自己不是很了解就沒有認真閱讀該部分，主要簡單了解了該系統(tǒng)的概念和應用領域。

NEMS（Nanoelectromechanicalsystems,納機電系統(tǒng)）與MEMS類似，由于尺寸更小及納米結構所導致的新效應,NEMS器件可以提供好多MEMS器件所不能提供的特性和功能,例如超高頻率、低能耗、高靈敏度、對表面質量和吸附性前所未有的控制能力等.以NEMS諧振器為例,與MEMS諧振器相比,NEMS諧振器利用了納米核心結構的尺度效應使器件性能獲得了顯著提升,通過諧振結構的等比例縮小,器件頻率顯著提高,甚至可以達到GHz[1]。因此可以

組成高頻電路里的振蕩器和濾波器.納米懸臂梁其質量可以小至10?18g[2]，以其為敏感單元的質量傳感器已能檢測綁定在結構上的DNA分子,甚至還能檢測到少量原子的影響[3]。

近年來，隨著機械、電子及光學工業(yè)的飛速發(fā)展,對縝密機械加工表面的質量及結構小型化的要求日益提高，使得表面粗糙度的測量具有越來越重要的地位[4]。對激光核聚變驅動器[5]、磁盤、光盤、x射線光學元件、大功率激光窗口及同步輻射器元件的表面粗糙度要求，均已達到了nm級要求[4]。超高精加工表面的快速、高精度、在線和自動化測量、三維表面粗糙度測量是非接觸式測量今后發(fā)展的主要方向，因此這些需求極大地促進了表面粗糙度測量技術的發(fā)展。從表面粗糙度測量儀的歷史看,也可以說是不斷提高倍率和分辯率的歷史，現(xiàn)在觸針式測量儀的最高倍率為200萬倍，縱向分辯率是5?，目前認為這已達到了尋常觸針式測量的極限,即使縱向分辯率還可以更高，觸針的最小尖端半徑(已達0.1μm大小)也已達使用極限，力也有極限，即使接近于零，也還存在工件是否允許接觸的問題。此外，由于觸針式測量儀測量時的屢屢來回以及數(shù)據(jù)點膨大，致使測量和處理時間長，效率低，顯然觸針式測量已不能適應不斷發(fā)展的新要求。為解決這些問題，近年來研究開發(fā)了各種非接觸測量裝置，例如，光觸針測量，STM，SEM，SPM等。近年來已開發(fā)了各種傳感器，如圖1所示。

圖1測試方法發(fā)展

閱讀文獻發(fā)表時間較早，因而在查閱了相關非接觸式表面粗糙度的檢測的資料后，了解到現(xiàn)階段非接觸式測量發(fā)展較快的既包括原子力，掃描電子顯微鏡等直接測量方式，又包括了光學散射“散斑〞投影等間接測量方法。同時非光學方

法的非接觸式測量方法也有很大進展，如超聲檢測法等。上述幾種表面粗糙度的非接觸式測量方法精度高，成本低，測量速度快，已廣泛應用于工業(yè)測量。光學干擾法和散射法相比其他非接觸測量方法雖然精度較低，但是其抗環(huán)境干擾能力強，適合工業(yè)在線測量；光學散斑法測量精度高，且抗干擾能力強，適用于工業(yè)在線測量。激光衍射投影法是近幾年開始采用的新型方法，其在線應用還需要進一步研究。超聲測量精度相對較高，但是易受環(huán)境影響。目前還沒有一個通用的測量方法能對各種工件表面粗糙度進行測量。實現(xiàn)表面粗糙度的快速“確鑿〞自動化“低成本〞抗干擾能力強以及可在線測量的測量方式，開發(fā)出相應的測量儀，仍是今后表面粗糙度測量的發(fā)展趨勢。

3儀器研制過程

在文獻中提到的方法是光干擾法，該方法原理是將工件表面的微觀不平度和標準鏡相比較。根據(jù)光波干擾原理，在等厚干擾條件下，用一個平晶和被測工件成一定楔角，即可得到明暗相隔的干擾條紋。當工件表面很平，干擾條紋呈直線且彼此平行，如表面凹凸不平，則干擾條紋也相應彎曲,測出干擾條紋彎曲量，可計算出其不平度數(shù)值。表面粗糙度反映在條紋邊緣的高頻毛發(fā)結構中，設波長為λ，條紋間隔為為e，彎曲量為a，則對應的表面高度變化為△h=λ/2×a/e。

光干擾條紋掃描測量技術分為直接位相測量技術和靜態(tài)圖像處理技術。前者的特點是數(shù)據(jù)處理簡單快捷，縱向分辯率較高；但對環(huán)境敏感，而且測量范圍小于λ/2。靜態(tài)干擾圖像處理技術的特點是直觀、抗外界環(huán)境干擾能力強，不受溫度變化的影響。雖然縱向分辯率沒有直接位相測量技術高，但經(jīng)過理論和試驗分析可擴大測量范圍，但不適于實時測量[6]。

文獻中提到的方法，是改進了的干擾法采用共光路，采用米洛(Mirau)干擾儀原理，參考鏡放在被測表面附近，參考光和測量光采用一致的路徑。干擾條紋通過陣列二極管或CCD攝像機攝取，并貯存條紋。壓電驅動器可以在軸向改變參考面與物鏡之間的距離，如移動物鏡和參考鏡λ/3距離，攝像機再攝一幀干擾條紋的像，并貯存在計算機內(nèi)，然后再重復一次，甚至第四次，最終目的是在垂直方向的移動量正好為一個波長。貯存在計算機內(nèi)的條紋圖像可以給出平面上任何位置的實際高度[7]。光程差越大，則光譜的相對可見度就越大，表面粗糙度測量

的確鑿度也就越高。文獻中主要詳細陳述如何處理采集到的信號，算法框圖中描述了其主要的過程，首先通過光電器件將光信號轉化為待處理的電信號，通過高通濾波將低頻和直流分量濾除，接著通過平方律檢波和低通濾波，最終通過峰值檢波器將信號輸出，之前在本科跟老師做過有關米粒分割的圖像處理的有關項目，同時在智能車比賽中采用CCD對賽道實時處理，感覺對于圖像處理的關鍵問是解析的速度，為了保證速度和實時性往往失去了精度，之前接觸的圖像處理都是二值化之后盡量減小計算量以保證速度，這樣采集到的最終圖像基本都是馬賽克圖，不過文章中這種高精度的表面圖像處理卻與之前的完全不同，因而它不可能做到實時性的采集與現(xiàn)實，但是通過算法和高頻率的處理器可以縮短這一時間，因而在文獻中采用了在當時計算速度較快的DSP作為核心處理芯片來縮短圖像處理的時間，在文獻中用其方法處理256*256像素的圖像小于20秒這在當時速度應當屬于較快的級別，當然為了縮短DSP的計算可以將濾波部分的算法處理使用硬件來實現(xiàn)。文獻中沒有詳細介紹有關圖像處理的技術，這在儀器制造過程中并非必需考慮的方向，只要保證采集原始數(shù)據(jù)的確切性快速性，后期的圖像加強這些都是算法處理需要考慮的方向，假使處理得當這可以進一步縮短時間。當然文獻中提到的這類方法對于靜態(tài)圖像的處理很好，可是對于出于外界環(huán)境干擾的狀況下這種測量誤差就會大大增加，如何處理外界干擾因素也是該類儀器研究方向的一個關鍵問題。

文獻發(fā)表于1993年，經(jīng)過查閱發(fā)現(xiàn)近年來外差測量法發(fā)展快速，光外差測量技術是一種具有納米級測量確鑿度的高精度光學測量方法。其理論分辯率優(yōu)于λ/1000，適用于精加工、超精加工表面的測量，而且可以進行動態(tài)時間的研究。

4總結

由于文獻中好多與自己專業(yè)不是很相關，所以