（机械设计及理论专业论文）mems表面结构三维测量评定研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭越型堂硒究望暄或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 芬h 私签字日期：夕时净7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭越抖堂硒究总瞳有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权扭越抖堂研究总瞳可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。 学位论文作者签名： 争坼名 导师签名： 7一一 百t 知。 签字日期：溯年7 月f 日 签字日期：砂。- 1 年7 月v i i t 众所周知，表面结构质量对常用机械零部件的传动、联结等功能有着至关重 要的作用。同样，对于表面力起重要作用的m e m s 而言，表面结构的质量对 m e m s 技术产品的特性也有着重要的作用，如m e m s 表面粗糙度对m e m s 电容 的电容值有重要的影响，m e m s 表面粗糙度对m e m s 的毽合性能有重要的影响。 现存的关于表面结构测量评定的方法主要是以轮廓法为主的二维测量评定 方法，这些方法只适用于简单的加工过程控制。常用的几何精度设计和测试技术 已经不能适应m e m s 系统表面测量和评定技术的需求，现有的轮廓参数在评定 产品功能特性方面逐显不足。因此，针对m e m s 表面结构的测量评定，需要研 究对m e m s 表面实现更精确、更详细测量评定的三维测量评定方法。 本论文以i s o t c 2 1 3 ( d i m e n s i o n a la n dg e o m e t r i c a lp r o d u c ts p e c i f i c a t i o n sa n d v e r i f i c a t i o n ) 目前正在研究的可用于表面结构三维测量评定方法一一区域法 ( a r e a l 法) 为依据，以m e m s 对表面三维测量评定的迫切需要为出发点，基于 标委会的先行预研的 微机电技术微几何量评定总则标准项目，结合m e m s 功能特性对m e m s 表面结构进行以下几个方面内容研究： ( 1 )分析研究m e m s 技术的发展历程、现状，并对m e m s 表面结构迫 切需要三维测量方法的因素进行分析研究； ( 2 )分析研究m e m s 的定义及其显著特征； ( 3 )分析研究新一代g p s 体系中关予表面结构测量的标准体系，以及表 面结构三维测量平的理论基础，并分析研究可适用于m e m s 表面结构 三维测量的参数； ( 4 )结合新一代g p s 体系中提出的表面结构三维测量评定理论和参数， 深入分析研究基于m e m s 系统功能的三维测量方法，并探讨规范的 m e m s 系统表面三维测量方案； 关键词：m e m s 表面结构测量评定方法 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 r e s e a r c ho nt h em e a s u r e m e n ta n da s s e s s m e n t o fm e m ss u r f a c et e x t u r e a b s t r a c t i ti sw i d e l yk n o w nt h a tt h es u r f a c et e x t u r eq u a l i t yi sq u i t ei m p o r t a n t t ot h et r a n s m i s s i o na n dj o i n tf u n c t i o no fm a c h i n ep a r t s f o rm e m s ，i n w h i c ht h es u r f a c ef o r c ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l e ，t h eq u a l i t yo ft h es u r f a c e t e x t u r eh a si m p o r t a n ti n f l u e n c et om e m sf u n c t i o n s f o re x a m p l e ，t h e s u r f a c er o u g h n e s sh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h ep a r a l l e l p l a t e m e m sc a p a c i t o r s ，a n dt h es u r f a c er o u g h n e s sa l s oh a sa ni m p o r t a n t i n f l u e n c et ot h ew a f e r s t i c k w i t ht h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g ，t h er e q u i r e m e n t so f s u r f a c ep r e c i s i o no fm a c h i n ep a r th a v eb e e ni m p r o v e dg r e a t l y t h e t r a d i t i o n a lg e o m e t r yp r e c i s i o nd e s i g nm e t h o da n dm e a s u r i n gt e c h n o l o g y h a v eb e e nn o ta d a p t e dt ot h er e q u i r e m e n to fm o d e md e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y t h e e x i s t e n tc o n t o u r p a r a m e t e r s a r e a p p a r e n t l yn o te n o u g ht om e a s u r ea n da s s e s st h ep a r t sf u n c t i o n s t h i si s v e r yc l e a rf o rm e m s a sr e s u l to fb e i n gi n f l u e n c e db ys i z ee f f e c t ，t h e s u r f a c eq u a l i t yo fm e m sh a sg r e a ti n f l u e n c et oi t sf u n c t i o n s h o w e v e r , b e c a u s eo fm e m sm i c r os i z e ，t h et r a d i t i o n a lm e a s u r i n gm e t h o d sa n d p r e c i s i o nr e q u i r e m e n t sa r ef a rf r o mf u l f i l l i n gt h er e q u i r e m e n t so fm e m s s u r f a c ep r e c i s i o n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h e s u r f a c em e a s u r i n ga n da s s e s s i n gm e t h o d sf o rm e m s s p e c i a l l y b yi n t e g r a t i n g t h er e s u l t so f i s o t c 213 ( d i m e n s i o n a la n d g e o m e t r i c a lp r o d u c ts p e c i f i c a t i o n sa n dv e r i f i c a t i o n ) r e s e a r c h e so na r e a l ( 2 ) r e s e a r c h i n gm e m s d e f i n i t i o n sa n ds p e c i a lc h a r a c t e r s ； ( 3 ) a n a l y z i n gt h es u r f a c et e x t u r e m e a s u r e m e n ta n da s s e s s m e n t s y s t e mi nn e wg p ss y s t e m ，a n dt h eb a s i ct h e o r i e so f3 dm e a s u r e m e n t a n da s s e s s m e n t ，a n dr e s e a r c h i n gt h ep a r a m e t e r st h a tc a nb ea p p l i e dt o m e m ss u r f a c e3d m e a s u r i n g ( 4 ) r e s e a r c h i n gt h e3 dm e a s u r e m e n t sf o rm e m ss u r f a c e ，a n dt h e n o r m a l i z e ds c h e m eo fm e m ss u r f a c e3 dm e a s u r e m e n t s ，b yi n t e g r a t i n g 3 ds u r f a c et e x t u r em e a s u r i n gp a r a m e t e r sw h i c hi sr e f e r r e di nn e wg p s s y s t e m k e yw o r d s ：m e m s ，s u r f a c et e x t u r e ，m e a s u r e m e n t ，a s s e s s m e n t ，m e t h o d 1 1 l 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 目录 摘要i a b s t r a c t 】：】 符号清单v i 插图清单v i i 表格清单v i i i 引言i x 第一章绪论一l 一 1 1m e m s 的基本概念1 1 2m e m s 技术发展历程3 1 - 3m e m s 技术的重要意义4 1 4 本论文研究的主要内容及创新点6 1 5 本章小结7 第二章m e m s 表面结构三维测量与尺寸效应一一8 2 1m e m s 表面结构三维测量8 2 2m e m s 尺寸效应1 2 2 2 1 尺寸效应的基本特点1 2 2 2 2 尺寸的相对性和绝对性1 3 2 2 3 一些重要尺寸效应1 4 2 3m e m s 尺寸效应对表面三维测量评定影响分析1 5 2 4 本章小结1 6 第三章m e m s 表面结构三维测量评定基础一1 7 3 1三维测量评定在新一代g p s 标准体系具有重要位置1 7 3 2表面结构三维测量评定基准面2 0 3 3可用于m e m s 表面结构三维测量参数2 5 3 4本章小结3 2 第四章m e m s 表面结构规范化三维测量评定实现一3 3 4 1基于功能特性的m e m s 表面结构三维测量评定3 3 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 4 1 1m e m s 表面结构与其功能特性3 3 4 1 2m e m s 表面结构质量影响m e m s 功能的实例分析3 4 4 1 3 基于功能特性的m e m s 系统表面三维测量评定参数研究3 8 4 2m e m s 表面结构三维测量参数识别提取4 卜 4 3m e m s 表面结构规范化三维测量评定流程方案探索研究“ 4 4 本章总结4 8 第五章结论与展望一4 9 5 1 本文完成的任务总结4 9 5 2 本文研究的不足5 0 5 3 展望5 1 参考文献一5 2 一 致谢一5 5 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 符号清单 缩写英文名称中文全称 m e m s m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m微机电系统 g p sg e o m e t r i c a lp r o d u c ts p e c i f i c a t i o n s产品几何技术规范 l 之fm e m s r a d i of r e q u e n c ym e m s射频微机电系统 l e ci n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n国际电工委员会 i s o i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n 国际标准化组织 m u m p s m u l t i - u $ e rm e m sp r e e e s s e s 多用户m e m s 工艺过程 n e x u sn e t w o r ko fe x c e l l e n c ei nm u l t i f u n c t i o n a l 欧盟微系统网络联盟 m i c r o s y s t e m s e m i s e m i c o n d u c t o re q u i p m e n ta n dm a t e r i a l s 国际半导体设备与材料组织 i n t e r n a t i o n a l 3 d3 d i m e n s i o n a l三维 n p l n a t i o n a lp h y s i c a ll a b o r a t o r y英国国家物理实验室 i s o 厂r c 2 1 3d i m e n s i o n a la n dg e o m e t r i c a lp r o d u c t 产品几何尺寸技术规范及检验 s p e c i f i c a t i o na n dv e r i f i c a t i o n n i s tn a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n d 美国国家标准与技术研究院 t e c h n o l o g y d i n d e u t s c h e si n s t i t u tf i i rn o r m u n g 德国标准协会 b s i b r i t i s hs t a n d a r di n s t i t u t e英国标准协会 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 插图清单 图1 - 1m e m s 组成示意图l 图1 - 9 物体的尺度2 图1 - 3m e m s 技术应用领域4 图1 - 4 国际上3 个m e m s 咨询机构预测的m e m s 市场趋势5 图1 - 52 0 0 5 2 0 1 0 年全球m e m s 市场产品分类5 图2 - 1m e m s 测量过程中采用的测量方法9 图2 - 2m e m s 表面结构三维测量标准规划1 0 图2 3 在m e m s 使用、销售和运输之前，是否需要进行测量对比1 0 图2 - 4 各个测量方面所占的比例1 1 图2 - 5 应用于汽车领域的三维结构化表面1 2 图3 1 表面结构测量方法分类与举例 6 1 9 图3 2 表面形貌的均方根偏差咒2 6 图3 3 表面形貌的均方根偏差2 7 图3 4 表面高度分布2 7 图3 - 5 空隙容积和材料容积参数：”3 1 图4 - 1m e m s 表面结构质量影响着各方面的物理性能3 3 图4 - 2 平行板电容的原理图3 5 图4 - 3 平行板电容的原理图3 5 图4 - 4r = 1 0 0 n m 时，随d 变化的c 3 6 图4 - 5 表面微起伏晶片健合图3 7 图4 - 6 空隙临界高度与空隙半径的关系3 8 图4 - 7m e m s 不同功能要求特性参数的分类3 9 图4 - 8 闭环和开环重要特征描述4 3 图4 - 9 探索性规范化m e m s 表面三维测量评定流程4 5 v ll 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 表格清单 表2 - 1 部分力的尺寸效应1 5 表3 - 1 表面结构总体规划1 7 表4 - 1 表面结构的特征类型4 l 表4 - 2 分割尺寸的准则4 2 表4 - 3 重要特征o o ooodd ooqm 4 2 表4 - 4 特征属性4 3 表4 - 5 属性统计4 4 表4 - 6 测得值与公差极限值的比对规则4 7 表4 - 7m e m s 表面测得值与参考( “公差“) 极限值的比对规则4 6 v ll l 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 引言 近年来m e m s 产业发展迅速，目前全球m e m s 的市场每年可达到几百亿美 元的市场产值，而且现在正在进一步增加。s e m i 发表的“全球微机电微系统市 场和商机”市场能够研究报告中指出，2 0 0 5 年该产业总规模达到4 8 0 亿美元，并 可望在2 0 1 0 年成长到9 5 0 亿美元。随着m e m s 技术的发展，m e m s 产品的种 类也在逐步增加，当前市场上出现了如m e m s 压力传感器、m e m s 惯性传感器、 微流控器件、r fm e m s 、硅麦克风以及光学m e m s 等产品。 虽然近年来m e m s 的发展比较迅速，但是由于m e m s 的加工方法比较多， 测量评定的方法也是多种多样，而且关于m e m s 方面的加工工艺方法和测量方 面的标准非常少，从而使得m e m s 加工、测量评定变得比较困难，多数新的产 品难于实现批量化。因此针对m e m s 中相对比较成熟的加工工艺方法、测量品 顶方法以及普遍存在的技术问题，非常有必要研究规范的工艺方法和标准。 本论文针对当前m e m s 制造过程中迫切需要规范化的三维测量评定方法， 研究m e m s 表面结构的三维测量评定。因为现存的以轮廓法为主的表面结构二 维测量评定方法只适用于简单的加工过程控制，而且其几何精度设计和测试技术 已经不能适应m e m s 系统表面测量和评定技术的需求。因此，研究规范的m e m s 表面结构三维测量评定具有非常重要的意义。 本论文分析研究了m e m s 技术的基本特点和发展，结合新一代g p s 体系中 关于表面结构测量的标准体系，深入分析研究了可适用于m e m s 表面结构三维 测量的参数；并提出基于m e m s 系统功能的三维测量方法，探讨规范的m e m s 系统表面三维测量方案。 l x 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 1 1m e m s l 的基本概念 第一章绪论 所谓m e m s ，它是指适于批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执 行器、信号处理和控制及通讯接口电路、能源等于一体的能完成特定功能的微系 统，图卜1 描述了m e m s 组成示意图。m e m s 结合了电子和机械部件，并用l c 集成工艺加工的装置。它是多学科交叉的前沿研究领域，它涉及电子工程、机械 工程、材料工程、信息工程、物理学、化学、光学以及生物医学等学科技术。 图1 - 1m e m s 组成示意图 目前对于m e m s 还未有一个明确的定义，现在文献中出现的有关m e m s 的 定义大多都是从其构成和尺寸的角度来对m e m s 进行描述。按结构尺寸大小， 一般可将机械装置分为： 1 ) 微小型机械( m i n i m e c h a n i s m ) ，结构尺寸在1 - - l o o m m 之间： 2 ) 微型机械( m i c r o m e c h a n i s m ) ，结构尺寸在l u m 一- l m m ，m e m s 即可归 属于这一类装置中； 3 ) 纳米机械( n a n o m e c h a n i s m ) ，结构尺寸在1 0 n m - - l o u m 之间。 这种分类实际上反映了在m e m s 的研究过程，是在不断地由毫米级向微米级和 纳米级过渡。 m e m s ，m i e r o - e l e c t r o - m c e h a n i c a ls y s t e m 。简称“m e m s ”， m e m s 在不同的国家其名称也有所不同，在 日奉被称为微机械( m i c r o - m a c h i n e ) 而在欧洲则足微系统技术( m i c r os y s t e m st c c h n o l o g lm s t ) ，在英国有 时也称为微工程( m i c r o - e n g i n e e r i n g ) 我国称之为“微机电系统” 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 1 趋向予无穷大 趋向于无穷小 l 寻萨lo - 矛t 平o - 焉气砷l d l 舀l 万1 趸1 d 1 2 1 0 8 1 d 6l 芦4l d 2l 矿 l 孑 i 质子直径 i 氯原子：苴径j 头发1 人类 - 纳米器件回 图l - 2 物体的尺度 典型的人造器件 国际电技术委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 的定义概括 了各国的共性“微系统是微米量级内的设计和制造技术。它集成了多种元件， 并适于以低成本大量生产。”由于微系统应用的广泛性，有人说它是一种设计 制造微系统( m e m s ) 的技术平台、一类可用的物理产品和一种方法学。 微系统发展的目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和 系统，开辟一个新技末领域和产业它可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任 务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性提高到一个新的水平。 总结微系统技术的现状和发展。对于m e m s 可以大致归纳出以下一些特点： ( 1 ) 微型化：体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时 间短： ( 2 ) 材料：以硅为主要材料，其机械电器性能优良。强度、硬度和杨氏 模量与铁相当，密度类似铝，热导率接近铝和鸽。地球表面有2 8 的石英，几 乎是取之不尽的； ( 3 ) 可批量生产：用硅微加工在一片硅片上可一次制造成百上千个微型 机电装置，或制造出数个完整的微型机电系统，有利于大批量生产，降低生产 成本； ( 4 ) 集成化；把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执 行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把各种功能的器 件集成在一体形成复杂的微茶统可以完成复杂的工作：微传感器、微执行器与 一2 一 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 微电子器件集成在芯片上构成可靠性和稳定性高的微机电系统，具有信号获取、 处理和控制的功能； ( 5 ) 采用广泛的物理、化学和生物原理，如力、加速度、热、磁、电、 浓度、活性等变量，通过光电、光导、压阻、压电、霍耳效应等变成电信号进 行处理和控制，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。 ( 6 ) 微系统是纳米世界与宏观面界之间的中间媒介，可作为对纳米技术 的研究工具和操作平台，也是纳米技术的主要应用对象之一。混合纳机械和微 系统的可行性和高性能受到人们的关注。把纳系统和微系统结合或集成起来， 可发挥更大的作用。 1 2m e m s 技术发展历程 m e m s 始于上世纪6 0 年代，当美国科学家们在威斯丁豪斯实验室 ( w e s t i n g h o u s el a b o r a t o r i e s ) 利用化学方法去除材料而得的金属棒制成可自由移 动的“谐振f - j ( r e s o n a n tg a t e ) 晶体管时，m e m s 技术即已出现了。 7 0 年代，在加速度传感器产业化时，基于硅材料采用去除材料的工艺制成 可移动结构的概念悄悄地出现。在这一时期，第一个硅加速度计也出现。 8 0 年代，硅材料的表面加工工艺技术发展，再一次基于牺牲层技术制出器 件的结构，这一技术同样可以使制成的结构移动自由。也正是在这一时代，硅和 多晶硅被公认为是非常有用的微机械机构材料。 9 0 年代时微系统发展的繁荣时期。在这一时期出现了许多新的技术和新的 应用领域。在这一时期，成千上万的加速度计和压力传感器涌现出来。多层多晶 硅的加工工艺出现，如m u m p s 。 在早期微系统的发展是沿着微电子工业的路线进行的。许多新技术是直接从 集成电路的制造工艺中发展而来的，m e m s 技术产品也主要是采用微电子材料 硅或硅样式的( s i l i c o nf o r m s ) 材料生产的。然而，现在也出现了许多其他 的材料，这些非硅的材料也扮演着重要的角色。l i g a 技术就是一个重要的例子， 当初l i g a 技术是用于大批量生产微型喷嘴( 应用于核材料丰富的场合) 的制造 技术，现在l i g a 技术已成为一种用于制造非硅类微系统的重要加工技术。 一3 一 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 不像微电子技术工业发展的一样，c m o s 技术是微电子技术的主要应用领 域，而微系统的应用领域具有多样性。微系统制造过程中采用的加工技术呈现多 样性，它的应用领域同样呈现多样性。这种趋势在未来十年中会更加明显。 1 3 m e m s 技术的重要意义 m e m s 技术的快速发展只不过十多年的时间，但目前m e m s 技术得到了广 泛的应用，并取得了巨大的成绩和效益。具体可以表现出以下两个方面，如下分 析： ( 1 ) m e m s 极大地促进了各类产品的袖珍化、微型化，并发挥了重要作用 由于采用m e m s 技术的产品的体积小、功能多等独特优点，它在许多领域 中得到应用，并极大地促进了各类产品的袖珍化、微型化。m e m s 技术应用领 域可覆盖国防、航空、航天、通信、环保、生物工程、医疗、制造业、农业和家 庭等多个领域，如家庭用的d v d 播放机和家庭剧院，航天工业中使用的m e m s 惯性传感器，汽车工业之中安全气囊，医疗中采用的微型支架等等许多领域中的 具体产品都采用了m e m s 技术。图1 - 3 描述了m e m s 技术的应用领域。 l 机器人，残疾人 的触觉显，示器。 祛斑机器人 图1 - 3m e m s 技术应用领域 ( 2 ) m e m s 产业的迅速扩展，给全球经济的发展带来了巨大的经济效益 随着m e m s 产业的不断发展，m e m s 技术的市场也在迅速的扩展。据著名 一4 一 2 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 2 0 0 82 0 0 92 0 1 0 年份 图1 - 4 国际上3 个m e m s 咨询机构预测的m e m s 市场趋势 1 2o l o 仪的 2 o 0 2 0 0 52 0 ( ) 62 0 y 7 2 0 0 82 0 0 92 0 1 0 年份 图1 - 52 0 0 5 2 0 1 0 年全球m e m s 市场产品分类 n e x u s ( n e t w o r ko fe x c e l l e n c ei nm u l t i f u n c t i o n a lm i c r o s y s t e m s ，欧盟微系统 网络，) 第一次发布了对m e m s 工业从1 9 9 6 年到2 0 0 2 年市场调查分析报告。分 一5 一 候粼2o萼悟 咖 咖 咖 8 6 4 k 8 _ 、单骂l 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 析报告折射出m e m s 工业到2 0 0 2 年从1 4 0 亿美元增长到3 8 0 亿美元的规模。 s e m i 发表的“全球微机电微系统市场和商机”市场能够研究报告中指出， 2 0 0 5 年该产业总规模达到4 8 0 亿美元，并可望在2 0 1 0 年成长到9 5 0 亿美元。根 据s e m i 的数据，核心微机电组件在2 0 0 5 年的产业规模已达5 3 亿美元，由于消 费性电子产品的微机电组件使用量增加，预计到2 0 1 0 年产业规模可成长到9 9 亿美元，年复合成长率为1 3 。微机电组件包括压力传感器、加速度计、陀螺仪、 麦克风、数字显示、微射流组件等。 5 随着m e m s 技术产品种类的不断出现，m e m s 技术不断成熟，并且其市场 不断扩大。m e m s 技术必将在2 1 世纪对其应用的领域如航空航天、军事、传感 器技术、医疗器械、仿生机器人、家用电器等产生深远的影响。并且，m e m s 技术的迅速发展将对全球经济的增长发挥重要的作用。 1 4 本论文研究的主要内容及创新点 2 0 0 6 年国家标准化管理委员会批准我单位筹建“全国微机电技术标准化技 术委员会 ( 后面简称为“标委会 ) 。本论文是基于标委会的先行预研标准项目 微机电技术微几何量评定总则，并结合i s o t c 2 1 3 目前正开展的关于表面 结构区域法( a r e a l ) 测量系列标准的研究等项目，对m e m s 表面结构的三维测 量技术进行研究。 本论文结合目前新一代g p s 标准中关于表面结构测量的研究，立足于 m e m s 的表面结构的特性，针对于m e m s 的测量参数进行研究，重点分析研究 如何利用新一代g p s 标准体系中测量方法解决m e m s 表面结构三维测量，具体 可分为如下几个方面的内容： ( 1 ) 分析研究m e m s 的基本概念，并对m e m s 的特点进行了分析； ( 2 ) 分析研究了表面结构三维测量技术的基础理论，表面结构三维表征 方法和参数； ( 3 ) 详细地分析研究m e m s 区别于常用机械零部件表面结构的特点以及 m e m s 表面结构的质量对器件性能的影响； ( 4 ) 提出一套采用区域法进行m e m s 表面三维测量评定的规范化流程方 一6 一 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 案。 其中第( 3 ) 、( 4 ) 为本论文的两个创新点，论文比较详细地分析m e m s 表 面对其功能的系统地分析，并且首次探索性的提出测量m e m s 表面测量评定的 规范化流程方案，以及测量过程中的对比规则。 通过这些方面研究为今后研究制定关于m e m s 表面结构测量技术标准提供 了技术基础，为m e m s 表面结构测量提供了一套规范化参考方案，有利于避免 m e m s 表面结构测量的不确定性和测量步骤的重复性。总之，本论文的研究成 果对为m e m s 表面结构三维测量技术的规范化起到一定的作用。 1 5 本章小结 本章分析了m e m s 基本概念，m e m s 技术发展历程以及m e m s 技术的重要 意义进行了深入分析研究。对m e m s 技术发展过程进行了详细的说明分析；分 析研究了m e m s 技术产生后对航空、航天、船舶、汽车等许多工业领域产品的 微型化、高度集成化起到了重要意义，以及m e m s 技术的发展为全球经济的飞 速发展做出的重要贡献。最后通过对m e m s 技术的分析研究，提出了本论文研 究的主要内容及创新点。 一7 一 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 第二章m e m s 表面结构三维测量与尺寸效应 当物体的尺度减小到一定程度的时候，就会出现区别于常规尺度下的新现 象、新规律，这种现象既可以归因于尺寸效应的影响。对于处于微观领域中的 m e m s 来说，其多方面的性能会受到尺寸效应的影响。因为尺寸效应的影响， m e m s 表面三维测量评定的方法发生了变化，并且使得三维测量评定的难度加 大。下面对m e m s 三维测量和尺寸效应进行分析。 2 1m e m s 表面结构三维测量 表面是一种材料与另一种材料之间的分界面，在工程表面的情况下，一种材 料是空气，另一种为固体材料，例如金属、塑料等 5 。表面实际上是代表实体 和周围环境边界的部分，代表着工件表面的主要外部特征，是由加工过程中的各 种工序产生的。一个制件表面结构的质量在很大程度上影响着它的许多技术性能 和使用功能。表面的耐磨性、密封性、配合性质、摩擦力、传热性、导电性、以 及对光线和声波的反射性，液体和气体在壁面的流动性、腐蚀性、涂层的附着力， 电子元件以及人造器官的性能，测量仪器和机床的精度、可靠性、振动和噪声等 等功能，都与表面的几何结构特征有密切的联系。 。 m e m s 的加工方法与常用机械零部件加工方法相比，发生了很大的变化。 不同于常用机械零部件的切、铣、钻、磨等加工工艺方法，m e m s 的加工方法 更多的使用了化学、物理等方法，如腐蚀、键合等工艺方法。m e m s 的关键尺 寸已处于微米量级，其很多特性不符合宏观领域中的物理特点。受尺寸效应的影 响，m e m s 的表面特性对其性能的影响程度与常用机械零部件的表面对其性能 的影响程度也有着很大的差别。 由于m e m s 表面结构的质量特性对其功能的影响较大，近年来很多国内外 的厂商、学者在致力于m e m s 表面结构的三维测量评定技术。m e m s 表面结构 三维测量的需求愈来愈大，主要表现在以下2 个方面： ( 1 ) m e m s 表面结构三维测量的方法较多，但缺乏评定和比较的相关标 准 一8 一 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 目前，用于测量m e m s 的测量技术比较多，而且这些测量技术大多数都可 以用于m e m s 的表面测量，如图2 - 1 中m e m s 测量过程中采用的测量方法。 o l h e r b 时 日讲的m 咖 o | 删i o f i l o m e t t y a 传r 岫c i 田) ) 3 - o 晡喊i n 口m 嘲嵋捌胁e 订b i m e a e r o m 砷r y r s i 蜕m l 咖。饿i 嘣m t y 蛐c t i n g 嗍幻佩r y s c a 憎哂n 口i x o hm k 麟q ，y 3 4 0 w h 沁m 鳅i n gm 翻喀哦n _ n 协 c 拓i 蝌c d i m e n s i o n a l 啊嘲u n 嘲七n b , n i n ge l e c t r o nm k m o c o 纠 o p t m dm b 巾翻：q ，y o24 6 01 01 21 p n 膏瞳 图2 - 1m e m s 测量过程中采用的测量方法 从上图中可以看出，m e m s 测量方法较多，其中3 d 测量方法( 包括3 d 接触式测量方法和3 d 非接触式测量方法) 的比例近1 7 ，所占比例最大。但 是当前针对3 d 测量方法的标准尚不存在，国际标准化组织i s o t c 2 1 3 产品几 何技术规范委员会制定了一些关于表面结构的轮廓法测量评定标准，如i s 0 4 2 8 8 ( g e o m e t r i c a lp r o d u c ts p e c i f i c a t i o n s ( g p s ) - s u r f a c et e x t u r e ：p r o f i l em e t h o d r u l e s a n dp r o c e d u r e sf o rt h ea s s e s s m e n to fs u r f a c et e x t u r e ) 、i s o12 0 8 5 ( g e o m e t r i c a l p r o d u c ts p e c i f i c a t i o n ( g p s ) s u r f a c et e x t u r e ：p r o f i l em e t h o d m o t i fp a r a m e t e r s ) 等标 准，并且这些标准已经转换为国家标准。但是，由于m e m s 与常用机械零部件 在物理、功能等特性上发生了很大的变化，目前这些用于常用机械零部件的二维 轮廓测量评定方法已不适合m e m s 这样微小、结构复杂且功能繁多的m e m s 的 表面结构的评定。而且对于m e m s 表面结构三维测量评定，传统轮廓法测量基 本上不能满足表面结构三维测量评定的要求，i s o t c 2 1 3 正在积极研究制定用于 表面结构的三维测量方面的标准。 2 0 0 2 年，欧洲专门设立了关于m e m s 标准需求调查、规划方面的研究项目， 项目中对m e m s 三维测量进行了调查。项目的调查报告总结出：从标准化角度 一9 一 机械科学研究总院2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 来看，m e m s 测量方面的标准有必要优先启动研究。并且在项目的总结报告中 给出了关于m e m s 表面测量技术的标准研究的规划，如图2 - 2 所示： 图2 - 2m e m s 表面结构三维测量标准规划 从这一规划图中看出，欧盟计划自2 0 0 4 年开始准备研究针对m e m s 器件表 面结构三维测量评定方法的标准，并且这一研究与i s 0 研究的可用于表面三维测 量评定的方法一区域法( a r e a l 法) 同步。欧盟计划2 0 0 6 年提出一套相关的 标准，但是到现在为止还没有发布相关的标准。 ( 2 ) m e m s 表面结构需求迫切三维测量方法 测量技术标准是任何一种产品系列标准非常重要的一部分，从欧盟在2 0 0 2 年开展的微系统技术标准化调查分析 1 可以得出8 7 的被调查者在m e m s 使 用、销售和运输之前都需要进行器件性能特征的测量，如图2 3 。产品m e m s 是一个新兴学科，针对m e m s 进行有效的测量评定才能保证m e m s 的质量， m e m s 测量技术和手段的发展与研究才有利于m e m s 技术健康发展。 1 3 y e s 誓血一n o 图2 - 3 在m e m s 使用、销售和运输之前，是否需要进行测量对比 由于m e m s 是在微电子技术迅速发展的基础上发展起来的，并且其涉及热、 电、光、磁等多个学科领域的技术，从而使得m e m s 在生产加工和使用时需要 进行多个性能参数的测量如图2 - 4 ，如对电学性能