微器件表面形貌的微、納米測量裝置的製作方法

2023-10-29 08:40:17

專利名稱：微器件表面形貌的微、納米測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及微、納米測量裝置，更具體地說是一種對於微器件表面形貌進行測量的測量裝置。
背景技術：
隨著微細加工技術的不斷進步，微電路、微光學元件、微機械以及其它各種微結構不斷出現，需要對微結構表面形貌進行非破壞的測量，光學探針即可用於實現非接觸測量，測量方法包括基於共焦顯微鏡原理的光學探針輪廓測量方法、外差幹涉光學探針法、微分幹涉光學探針法，以及離焦誤差檢測法等。在各種測量方法中，離焦誤差檢測法具有光路簡單、使用方便的優勢，其縱向解析度可達1nm。但是，目前使用的離焦誤差檢測裝置使用分立元件進行組裝搭建。使得體積龐大，各鏡片定位安裝精度較差，且成本相當高，雖然可以達到納米級解析度，但系統的總體精度與穩定性不高。

發明內容
本實用新型是為避免上述現有技術所存在不足之處，提供一種利用已有的集成化了的光學器件，使得檢測裝置在結構上更為緊湊、性能上更為可靠的，提高總體精度和穩定性的微器件表面形貌的微、納米測量裝置。
本實用新型解決的技術問題所採用的技術方案是本實用新型的結構特點是本實用新型採用集成化的光學讀取頭，以光學讀取頭中極光二極體作為雷射光源器件，針對雷射二極體設置功率控制電路，在所述光學讀取頭的四象限電壓信號A、B、C、D輸出端設置四象限信號放大運算電路，所得(A+C)-(B+D)失焦信號經DSP信號處理電路接入驅動電路，所述驅動電路的驅動信號接入光學讀取頭的音圈馬達信號輸入端。
本實用新型所採用的光學讀取頭，其本身是集成了光、機、電技術的微器件，應用功率控制控制電路，使光學讀取頭髮出穩定的雷射，從四象限檢測被測件返回的光強信號，通過運算以及DSP系統的信號處理，最終控制測頭光學焦點始終鎖定於被測件表面，實現自動聚集的功能，當精密平臺移動時，由四象限檢測出的信號可以得到被測件表面的高低形貌。與已有技術相比，本實用新型因充分利用了已有器件，利用象散原理測量物件的表面形貌，其體積小，集成度高，成本低，解析度可達0.8nm，由於整個系統固定鏡片的結構採用一體加工的方式，各鏡片的定位精度高，且測量的精度與穩定性相當高，測頭自身的線性測量範圍可達1mm。從而獲得低成本、並能精確測量的測量裝置。


圖1為本實用新型結構示意圖。
圖2為本實用新型所應用的光學讀取頭結構示意圖。
圖3為本實用新型功率控制電路原理圖。
圖4為本實用新型信號放大與運算處理電路，以及驅動電路電路原理圖。
圖中標號1極光二極體、2光柵、3分光鏡、4反射鏡、5準直透鏡、6全息透鏡、7被測件、8聚焦光學焦點、9柱面像散透鏡、10四象限光電二極體傳感器、11音圈馬達。
參見圖1，本實施例採用光學讀取頭，以光學讀取頭中極光二極體作為雷射光源器件，針對雷射二極體設置功率控制電路，在光學讀取頭的四象限電壓信號A、B、C、D輸出端設置四象限信號放大運算電路，所得(A+C)-(B+D)失焦信號經DSP信號處理系統接入驅動電路，驅動電路的驅動信號接入光學讀取頭的音圈馬達信號輸入端。
圖1所示，為了實現被測件的一維或兩維測量，應設置用於放置被測件的精密平臺，精密平臺在驅動控制器的作用下進行一維或兩維的移動。
參見圖2，本實施例中的光學讀取頭是集成了光、機、電技術的微器件，常規作為DVD雷射讀取頭進行使用，具體結構如圖2所示。其中，雷射二極體1加電後發射約為0.5mW的紅雷射光束，經光柵2衍射後形成檢測光，再經分光鏡3、反射鏡4、準直透鏡5，將雷射束變成準直光束。準直光束經過全息透鏡6之後，在被測件7上形成檢測的聚焦光學焦點8，反射的光束沿原光路再經過準直透鏡5，反射鏡4和分光鏡3後穿越柱面像散透鏡9投射到四象限光電二極體傳感器10，四象限光電二極體傳感器10根據光點在四個象限上的分布，輸出四象限電壓信號A、B、C、D。以被測件7為反射面，全息透鏡6固定設置在音圈馬達11上，當音圈馬達11將全息透鏡6推到反射面位於焦點位置時，四象限光電二極體傳感器10上的成像光點是圓形的，以(A+C)-(B+D)表徵的失焦信號為零；當反射面處於離焦位置時，輸出的四象限失焦信號不為零。
參見圖3，在圖2所示的光學讀取頭中的雷射二極體1，對外提供有三個端子，分別是控制信號輸入端LD、光檢測反饋信號輸出端PD和接地端GND。本實施例中設置功率控制電路，使光學讀取頭髮出穩定的雷射，功率控制電路由運算放大器U9和功放三極體Q9構成，運算放大器U9的正向輸入端為基準信號端，以運算放大器U9的反向輸入端接雷射二極體1的光檢測反饋信號輸出端PD，功放三極體Q9的集電極通過電感L1接雷射二極體1的控制信號輸入端LD。圖中示出，由電阻R25、R27和變阻器R26構成電位調節器，設置反向跟隨器U8，通過變阻器R26調節反向跟隨器U8的輸出作為運算放大U9的正向輸入端基準信號。該基準信號與PD信號在運算放大器U9中進行相減運算並放大，並通過功放三極體Q9驅動雷射二極體1發光。當雷射二極體1的輸出光功率受影響而發生變化時，由運算放大器U9和功放三極體Q9進行反饋控制，自動調節驅動雷射二極體的電流大小，使雷射二極體的發光功率恆定，減少環境的幹擾與影響。從而實現利用PD端信號判斷雷射的輸出功率，並由此為反饋源，提供LD端的電流大小反饋控制的功率自動控制。
參見圖4，四象限信號放大運算電路由運算放大器U1和串接在其後的兩級放大U2、U3，以及積分保持電路U4構成。其中，多級放大以提高信號的穩定性，積分保持電路可提高輸出失焦信號的信噪比，每片晶片的供電端都連接一濾波電容，以提高電源的抗幹擾性。在圖2所示的四象限光電二極體傳感器10中輸出的四象限電壓信號A、B、C、D按照(A+C)-(B+D)的運算方式分別接入在運算放大器U1的正反向輸入端，經過運算放大後所獲得的(A+C)-(B+D)失焦信號在積分保持電路U4的輸出端輸出，並通過DSP信號處理系統的完成信號自動處理。
圖4所示，在驅動電路中，依次串接緩衝器U5、積分器U6、U7和複合驅動管Q1-Q8，以複合驅動管的輸出端F+接音圈馬達的信號輸入端F-。其中運算放大器U5構成跟隨器，U6構成積分器、複合驅動管Q1-Q8構成雙推挽驅動電路。
在圖4所示的電路中，由光學讀取頭輸出的四象限電壓信號A、B、C、D經運算得到(A+C)-(B+D)的失焦信號，將此失焦信號進行多級放大處理以提高信號處理的信噪比，得到放大處理後的失焦信號。將失焦信號輸入DSP信號處理系統，輸出相應的控制信號，該控制信號通過驅動電路驅動光學讀取頭上的音圈馬達11帶動全息透鏡6相應移動，使失焦信號趨於零，當失焦信號不為零時，重複上述過程，最終音圈馬達11停在失焦信號為零的位置上，記錄維持音圈馬達11平衡位置的電壓信號，即可獲得被測件表面的形貌。
權利要求1.微器件表面形貌的微、納米測量裝置，其特徵是採用集成化的光學讀取頭，以光學讀取頭中極光二極體作為雷射光源器件，針對雷射二極體設置功率控制電路，在所述光學讀取頭的四象限電壓信號(A、B、C、D)輸出端設置四象限信號放大運算電路，所得(A+C)-(B+D)失焦信號經DSP信號處理電路接入驅動電路，所述驅動電路的驅動信號接入光學讀取頭的音圈馬達信號輸入端。
2.根據權利要求1所述的微器件表面形貌的微、納米測量裝置，其特徵是所述功率控制電路由運算放大器(U9)和功放三極體(Q9)構成，運算放大器(U9)的正向輸入端為基準信號端，以運算放大器(U9)的反向輸入端接所述光學讀取頭中雷射二極體的光檢測反饋信號輸出端(PD)，功放三極體(Q9)的集電極通過電感(L1)接雷射二極體的控制信號輸入端(LD)。
3.根據權利要求1所述的微器件表面形貌的微、納米測量裝置，其特徵是所述四象限信號放大運算電路由運算放大器(U1)和串接在其後的兩級放大(U2、U3)，以及積分保持電路(U4)構成，四象限電壓信號按照(A+C)-(B+D)的運算方式接入在運算放大器(U1)的正反向輸入端，失焦信號在積分保持電路(U4)的輸出端輸出。
4.根據權利要求1所述的微器件表面形貌的微、納米測量裝置，其特徵是在所述驅動電路中，依次串接緩衝器(U5)、濾波器(U6、U7)和複合驅動管(Q1-Q8)，以複合驅動管的輸出端(F+)接音圈馬達的信號輸入端(F-)。
專利摘要微器件表面形貌的微、納米測量裝置，其特徵是採用集成化的光學讀取頭，以光學讀取頭中極光二極體作為雷射光源器件，針對雷射二極體設置功率控制電路，在光學讀取頭的四象限電壓信號A、B、C、D輸出端設置四象限信號放大運算電路，所得(A+C)－(B+D)失焦信號經DSP信號處理接入驅動電路，驅動電路的驅動信號接入光學讀取頭的音圈馬達信號輸入端。本實用新型利用已有的光學讀取頭器件，獲得了低成本、高精度的微器件表面形貌的微、納米測量裝置。
文檔編號G01N21/00GK2779383SQ20052006970
公開日2006年5月10日 申請日期2005年3月7日 優先權日2005年3月7日
發明者範光照, 陳葉金, 趙靜, 劉玉聖 申請人:合肥工業大學