针对当前微纳米测量中存在的微结构跨尺度、高精度测量及高深宽比结构多参数表征问题, 基于纳米测量机和微接触测头构建了纳米坐标测量系统。通过对测头与定位平台机械、电气及软件接口的设计, 实现测头与平台的集成, 并利用标准球对测量系统进行校准。为保证测量结果的可溯源性, 对定位平台三轴激光干涉仪的激光器进行了拍频。最后, 利用搭建的测量系统对高度10 μm,2 mm的超高台阶及硅臂卡爪的侧壁倾角进行了测量, 表明系统具备大尺寸结构的高精度测量和复杂MEMS器件特征尺寸的精确表征能力。

针对当前微纳米测量中存在的大范围高精度测量及复杂微结构几何参数表征难题, 基于多测头传感和精密定位平台复用技术, 开发了一台具有多种测量尺度和测量模式的复合型微纳米测量仪。为使其具备大范围快速扫描测量和小范围精细测量功能, 仪器集成了白光干涉和原子力显微镜两种测头, 通过设计适用于两种测头集成的桥架结构及宏/微两级驱动定位平台, 实现整机的开发。为保证仪器测量结果的准确性和溯源性, 利用标准样板对开发完成的仪器进行了校准。仪器搭载的白光干涉测头可以达到横向500 nm, 纵向1 nm的分辨力; 原子力显微镜测头横向和纵向分辨力均可达到1 nm。最后, 利用目标仪器对微球样品进行了测量, 通过大范围成像和小范围精细扫描, 获得了微球的表面特征, 验证了仪器对复杂微结构的测量能力。

为了研究散射测量的正向测量依据, 采用严格耦合波分析理论, 对1维矩形面型周期性结构衍射建模, 在MATLAB环境下实现严格耦合波分析算法, 并讨论了1维周期结构高度、线宽和占空比的测量特性,理论上线宽的测量可以达到纳米级分辨率。结果表明, 严格耦合波分析理论精确和高效, 对1维微纳米周期结构表现出了良好的测量特性。这为散射测量提供了科学性和可行性依据。

根据微纳米三坐标测量机对测头各项指标的要求，提出了4种测头弹性结构的设计方案。通过力学分析建立测头弹性结构三维刚度模型，应用有限元分析软件ANSYS分别对4种弹性结构的刚度进行仿真计算; 然后，分析讨论了4种弹性结构的性能特点。综合考虑测量刚度、灵敏性及结构紧凑稳定等多种因素，选择十字型结构作为微纳米测量机测头的弹性结构，并对其进行了结构参数的优化和测头刚度各向同性设计。搭建了高精度三维微位移测试平台，对测头的测量范围、线性、位移误差进行了实验验证。仿真分析和实验结果表明，测头的弹性结构满足测量范围40 μm×40 μm×20 μm、测量刚度小于0.5 mN/μm及刚度各向同性的要求，整体测量误差小于100 nm。