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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MEMS227

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