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第1章 用于MEMS测试的图像处理和计算机视觉 1

1.1 概述 1

1.2 任务分类 1

1.3 图像处理和计算机视觉元件 3

1.3.1 光、颜色和滤波器的行为 4

1.3.2 照明 7

1.3.3 透镜系统 11

1.3.4 传感器 13

1.4 图像数据的处理与分析 20

1.4.1 计算机视觉过程 20

1.4.2 图像数据预处理和处理方法 22

1.4.3 图像数据分析方法 29

1.4.4 解决测试任务 33

1.5 商业与非商业的图像处理和计算机视觉软件 44

1.6 用于光学计量中条纹图案的图像处理技术 45

1.7 结论 47

参考文献 47

第2章 微系统检测用图像的相关技术 50

2.1 概述 50

2.2 用数字图像相关（DIC）技术的变形测量法 51

2.2.1 数字微图像的互相关算法 51

2.2.2 位移和应变场的提取 55

2.2.3 确定衍生性质 58

2.2.4 功能与限制 59

2.2.5 有限元（FE）仿真与DIC方法的结合 62

2.3 DIC应用中的基本设备 64

2.3.1 测量系统元件 64

2.3.2 对高分辨率扫描显微镜的要求 65

2.3.3 软件工具 67

2.4 DIC技术在微系统中的应用 70

2.4.1 微元件的应变分析 70

2.4.2 缺陷检测 73

2.4.3 有限元模型验证 74

2.4.4 材料性质测量 75

2.4.5 微裂纹评估 82

2.4.6 基于AFM微图的三维变形分析 87

2.4.7 确定微元件中的残余应力 87

2.5 总结与展望 92

参考文献 93

第3章 微组件和微结构光散射检查技术 96

3.1 概述 96

3.2 光散射的理论背景 96

3.3 测量装置 98

3.4 光散射法的标准化 102

3.5 微元件和微结构检查应用 102

3.6 光散射技术和轮廓测量技术组合 107

3.7 结论和展望 109

参考文献 110

第4章 原子力显微镜表征及测量微元件 113

4.1 概述 113

4.2 AFM部件及工作原理 113

4.2.1 探针 114

4.2.2 扫描器 114

4.2.3 控制器 115

4.2.4 探测、输入信号、设置点与错误信号 115

4.2.5 Z反馈回路 116

4.3 AFM成像模式 116

4.3.1 一次AFM成像模式 116

4.3.2 二次AFM成像模式 118

4.4 AFM非成像模式 125

4.5 AFM用于微组件检查——案例研究 126

4.6 原子力轮廓仪（AFP）——AFM和触针轮廓仪的组合 131

4.7 AFM的补充光学测量技术 133

4.8 结论与展望 133

参考文献 134

第5章 MEMS测量用光学轮廓测量技术 135

5.1 概述 135

5.2 共焦显微镜术原理 135

5.2.1 共焦点传感器 135

5.2.2 共焦显微镜 139

5.2.3 用共焦显微镜测量 140

5.2.4 MEMS测量应用 142

5.3 显微镜深度扫描条纹投影（DSFP）原理 145

5.3.1 概述 145

5.3.2 强度模型 145

5.3.3 实验实现 146

5.4 结论 149

参考文献 149

第6章 微测量用栅格法和莫尔法 152

6.1 概述 152

6.2 栅格或光栅制造方法 153

6.2.1 光刻胶 153

6.2.2 移动点源全息干涉仪 153

6.2.3 电子束平版印刷术 153

6.2.4 聚焦电子束（FIB）铣削 155

6.3 微莫尔干涉仪 155

6.3.1 原理 155

6.3.2 光纤微莫尔干涉仪 157

6.3.3 在微电子封装中的应用 159

6.3.4 结论 162

6.4 采用高分辨率显微术的莫尔法 162

6.4.1 电子束莫尔法 162

6.4.2 AFM莫尔法 163

6.4.3 SEM扫描莫尔法 164

6.4.4 FIB莫尔法 165

6.4.5 TEM莫尔法 165

6.4.6 应用 166

6.4.7 结论 169

6.5 显微栅格法 170

6.5.1 概述 170

6.5.2 采用傅里叶变换法的栅格线图形分析方法 172

6.5.3 结合相移法的栅格线图形分析法 175

6.5.4 栅格衍射法 175

6.5.5 应用 177

6.6 结论 183

参考文献 183

第7章 微零件面内位移和应变测量的光栅干涉法 186

7.1 概述 186

7.2 光栅干涉法原理 186

7.3 波导光栅干涉法 189

7.3.1 波导光栅干涉仪头的概念 189

7.3.2 用于位移矢量测量的改进波导光栅干涉仪 191

7.4 测量系统 192

7.5 样品光栅技术 193

7.6 波导光栅干涉技术的典型应用 194

7.6.1 材料常数的确定 194

7.6.2 多晶材料分析 194

7.6.3 半导体微型激光器矩阵试验 196

7.6.4 电子封装 198

7.7 结论 199

参考文献 199

第8章 微系统特性的干涉显微检测技术 201

8.1 概述 201

8.2 干涉显微镜 201

8.2.1 工作原理 201

8.2.2 光源 202

8.2.3 干涉仪 203

8.2.4 光程差调制的干涉显微镜 204

8.2.5 波长调制的干涉显微镜 204

8.2.6 直接相位调制的干涉显微镜 204

8.2.7 光谱分解干涉显微镜 204

8.3 双光束零差干涉显微镜建模 205

8.3.1 单色照明双光束干涉技术 205

8.3.2 宽带照明双光束干涉技术 206

8.3.3 双光束干涉显微镜 207

8.4 干涉显微镜静态测量 207

8.4.1 单色干涉显微技术检测表面轮廓 207

8.4.2 低相干干涉测量表面轮廓 208

8.5 干涉显微测量技术的性能和问题 209

8.5.1 边缘效应 209

8.5.2 非均质表面的测量 209

8.5.3 膜厚成像 211

8.5.4 谱反射率成像 212

8.6 干涉轮廓仪在MEMS领域的应用 214

8.7 干涉显微镜动态测量 215

8.7.1 概述 215

8.7.2 动态条件下的干涉信号 215

8.7.3 频闪干涉显微镜振动测量 217

8.7.4 时间平均干涉显微技术振动测量 220

8.7.5 动态干涉显微技术在MEMS领域的应用 221

8.8 结论 221

致谢 222

参考文献 222

第9章 用激光多普勒测振技术测量运动中的MEMS 227

9.1 概述 227

9.2 激光多普勒效应及其干涉检测 228

9.2.1 激光多普勒效应 228

9.2.2 光探测中的散粒噪声 230

9.2.3 干涉检测 230

9.2.4 波前像差和激光散斑 231

9.3 激光多普勒测振技术 231

9.3.1 光学装置 231

9.3.2 零差和外差检测技术 232

9.3.3 信号处理 234

9.3.4 数据采集 239

9.4 全场测振技术 241

9.4.1 扫描测振仪 241

9.4.2 工作偏差形状 242

9.5 微观结构的测量 243

9.5.1 光学装置 243

9.5.2 3D技术 245

9.5.3 范围和限制 247

9.6 分辨力和精度 249

9.6.1 噪声限制的分辨力 249

9.6.2 激光多普勒测振仪的测量精度和标定 252

9.7 与其他技术的结合 257

9.8 实例 260

9.8.1 双模式MEMS反射镜 260

9.8.2 悬臂梁加速度传感器 261

9.9 结论与展望 265

参考文献 267

第10章 一种用于对MEMS和MOEMS离面变形进行静态、准静态和动态评价的干涉测量平台 270

10.1 概述 270

10.2 干涉测量平台的结构和操作原理 271

10.3 通过“逐点”偏移法对膜进行光机特性描述 273

10.3.1 SiOxNy薄膜的组成和原子密度 273

10.3.2 SiOxNy薄膜的机械特性 276

10.3.3 实验结果 278

10.4 通过离面微位移干涉测量确定刮抓式驱动执行器（SDA）的机械技术 284

10.4.1 SDA的操作 285

10.4.2 实验结果 286

10.5 使用带频闪技术的干涉测量法动态评估工作中的微光机电系统器件 290

10.5.1 概述 290

10.5.2 工作薄膜的动态特性 290

10.5.3 扭转微镜的动态特性 293

10.6 结论与展望 295

致谢 295

参考文献 295

第11章 试验电子封装和MEMS的光电子全息术 298

11.1 概述 298

11.2 MEMS制造过程概述 299

11.3 光电子全息术 301

11.3.1 光电子全息显微镜（OEHM） 302

11.3.2 静态模式 303

11.3.3 时间平均模式 304

11.4 典型应用 305

11.4.1 NIST可溯源量具的试验 305

11.4.2 MEMS加速度计的研究和表征 307

11.4.3 晶片级试验 311

11.4.4 表面安装技术的测量和模拟 314

11.5 总结 318

致谢 319

参考文献 319

第12章 数字全息术及其在MEMS/MOEMS检测方面的应用 322

12.1 简介 322

12.2 数字全息术理论及基本原理 323

12.2.1 波阵面的数字记录和重构 323

12.2.2 数字全息术重构的原理 327

12.2.3 离散化影响 332

12.3 数字全息干涉 333

12.3.1 基本原理 333

12.3.2 全息位移测量 335

12.3.3 全息形状测量 337

12.3.4 直接的和绝对的相位测量 340

12.3.5 数字全息的优点 343

12.4 数字全息显微镜（DHM） 343

12.4.1 数字全息显微术的光学装置 344

12.4.2 数字全息术中的像差补偿 345

12.4.3 通过在图像重构平面测定相位码来去除畸变 346

12.4.4 数字全息显微术（DHM）中的焦点跟踪 352

12.4.5 与距离和波长无关的控制尺寸 356

12.5 数字全息术用于微器件研究 359

12.5.1 微器件研究的实验前提条件 359

12.5.2 采用技术表面研究物体 363

12.5.3 带光学表面的微器件研究 372

12.6 结论 388

参考文献 388

第13章 微系统的散斑测量法 391

13.1 概述 391

13.2 基本原理 391

13.2.1 成像系统中的散斑性质 391

13.2.2 从散斑图案中提取信息 394

13.3 应用 405

13.3.1 晶片水平的质量保证 405

13.3.2 工作行为的表征 408

13.4 结论 417

参考文献 418

第14章 MEMS检测的光谱技术 420

14.1 概述 420

14.2 拉曼光谱法（RS） 420

14.2.1 原理 420

14.2.2 测量仪器 422

14.2.3 在微系统中的应用 423

14.3 光谱椭偏法（SE） 432

14.3.1 原理 432

14.3.2 在MEMS中的应用 433

14.4 双光束光谱法（DBS） 434

14.4.1 原理 434

14.4.2 在MEMS中的应用 434

14.5 X射线光电子光谱法（XPS） 436

14.5.1 原理 436

14.5.2 在MEMS中的应用 436

14.6 高分辨率电子能量损失光谱法（HREELS） 437

14.6.1 原理 437

14.6.2 在MEMS中的应用 437

14.7 俄歇电子能谱法（AES） 438

14.7.1 原理 438

14.7.2 在MEMS中的应用 438

14.8 布里渊散射（BS） 439

14.8.1 原理 439

14.8.2 在MEMS中的应用 439

14.9 结论 439

参考文献 440