儀器設(shè)計(jì)概獻(xiàn)閱讀報(bào)告

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《儀器設(shè)計(jì)概論》文獻(xiàn)閱讀報(bào)告

姓名：謝宇辰

學(xué)號：202328017826016專業(yè)：微電子與固體電子學(xué)

培養(yǎng)單位：蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所日期：2023.7.2

1學(xué)習(xí)本課程的目的與意義

本科學(xué)習(xí)的專業(yè)是自動(dòng)化，在學(xué)習(xí)期間也做了不少比賽與老師的小項(xiàng)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(xué)，導(dǎo)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(xué)綜合測試分析設(shè)備和相關(guān)技術(shù)，因而選擇該課程更多的是出于興趣，一方面是了解儀器設(shè)計(jì)的知識概況，另一方面希望看到新的儀器的研究方向與進(jìn)展拓寬視野，在課程學(xué)習(xí)過程中光學(xué)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(xì)心思考，經(jīng)過課程學(xué)習(xí)，在光學(xué)儀器設(shè)計(jì)過程中的好多注意方向也有了認(rèn)識，收獲較多的在講電控有關(guān)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(rèn)識，之前自己只是通過現(xiàn)成代碼對信號進(jìn)行卡爾曼濾波，可對于其原理可程序中參數(shù)調(diào)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(rèn)識和理解，今后如有機(jī)遇繼續(xù)使用該算法相信自己會更得心應(yīng)手。

2國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

在文獻(xiàn)閱讀過程中優(yōu)先選擇了表面粗糙度有關(guān)的文獻(xiàn)，在研究生階段，由于要有好多試驗(yàn)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(jìn)行分析，因而選擇這篇文獻(xiàn)做主要閱讀。閱讀報(bào)告所查閱的相關(guān)資料更多的也是與這個(gè)方向相關(guān)的，同時(shí)自己還大致閱讀了納機(jī)電系統(tǒng)，文章簡單對該方向進(jìn)行了客觀的評價(jià)與介紹，由于制造工藝部分自己不是很了解就沒有認(rèn)真閱讀該部分，主要簡單了解了該系統(tǒng)的概念和應(yīng)用領(lǐng)域。

NEMS（Nanoelectromechanicalsystems,納機(jī)電系統(tǒng)）與MEMS類似，由于尺寸更小及納米結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的新效應(yīng),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(zhì)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(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)使器件性能獲得了顯著提升,通過諧振結(jié)構(gòu)的等比例縮小,器件頻率顯著提高,甚至可以達(dá)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(zhì)量可以小至10?18g[2]，以其為敏感單元的質(zhì)量傳感器已能檢測綁定在結(jié)構(gòu)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(jī)械、電子及光學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展,對縝密機(jī)械加工表面的質(zhì)量及結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)器[5]、磁盤、光盤、x射線光學(xué)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(dá)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(dòng)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(jìn)了表面粗糙度測量技術(shù)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(rèn)為這已達(dá)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(dá)0.1μm大小)也已達(dá)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(shí)的屢屢來回以及數(shù)據(jù)點(diǎn)膨大，致使測量和處理時(shí)間長，效率低，顯然觸針式測量已不能適應(yīng)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(xiàn)發(fā)表時(shí)間較早，因而在查閱了相關(guān)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(xué)散射“散斑〞投影等間接測量方法。同時(shí)非光學(xué)方

法的非接觸式測量方法也有很大進(jìn)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(yīng)用于工業(yè)測量。光學(xué)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(qiáng)，適合工業(yè)在線測量；光學(xué)散斑法測量精度高，且抗干擾能力強(qiáng)，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(yīng)用還需要進(jìn)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(gè)通用的測量方法能對各種工件表面粗糙度進(jìn)行測量。實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的快速“確鑿〞自動(dòng)化“低成本〞抗干擾能力強(qiáng)以及可在線測量的測量方式，開發(fā)出相應(yīng)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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)鏡相比較。根據(jù)光波干擾原理，在等厚干擾條件下，用一個(gè)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(dāng)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(yīng)彎曲,測出干擾條紋彎曲量，可計(jì)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(jié)構(gòu)中，設(shè)波長為λ，條紋間隔為為e，彎曲量為a，則對應(yīng)的表面高度變化為△h=λ/2×a/e。

光干擾條紋掃描測量技術(shù)分為直接位相測量技術(shù)和靜態(tài)圖像處理技術(shù)。前者的特點(diǎn)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(shù)的特點(diǎn)是直觀、抗外界環(huán)境干擾能力強(qiáng)，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(shù)高，但經(jīng)過理論和試驗(yàn)分析可擴(kuò)大測量范圍，但不適于實(shí)時(shí)測量[6]。

文獻(xiàn)中提到的方法，是改進(jìn)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(jī)攝取，并貯存條紋。壓電驅(qū)動(dòng)器可以在軸向改變參考面與物鏡之間的距離，如移動(dòng)物鏡和參考鏡λ/3距離，攝像機(jī)再攝一幀干擾條紋的像，并貯存在計(jì)算機(jī)內(nèi)，然后再重復(fù)一次，甚至第四次，最終目的是在垂直方向的移動(dòng)量正好為一個(gè)波長。貯存在計(jì)算機(jī)內(nèi)的條紋圖像可以給出平面上任何位置的實(shí)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(xiàn)中主要詳細(xì)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(zhuǎn)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(guān)米粒分割的圖像處理的有關(guān)項(xiàng)目，同時(shí)在智能車比賽中采用CCD對賽道實(shí)時(shí)處理，感覺對于圖像處理的關(guān)鍵問是解析的速度，為了保證速度和實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)時(shí)性的采集與現(xiàn)實(shí)，但是通過算法和高頻率的處理器可以縮短這一時(shí)間，因而在文獻(xiàn)中采用了在當(dāng)時(shí)計(jì)算速度較快的DSP作為核心處理芯片來縮短圖像處理的時(shí)間，在文獻(xiàn)中用其方法處理256*256像素的圖像小于20秒這在當(dāng)時(shí)速度應(yīng)當(dāng)屬于較快的級別，當(dāng)然為了縮短DSP的計(jì)算可以將濾波部分的算法處理使用硬件來實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)中沒有詳細(xì)介紹有關(guān)圖像處理的技術(shù)，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(qiáng)這些都是算法處理需要考慮的方向，假使處理得當(dāng)這可以進(jìn)一步縮短時(shí)間。當(dāng)然文獻(xiàn)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(gè)關(guān)鍵問題。

文獻(xiàn)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(shù)是一種具有納米級測量確鑿度的高精度光學(xué)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(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)間的研究。

4總結(jié)

由于文獻(xiàn)中好多與自己專業(yè)不是很相關(guān)，所以