1 、引言

MEMS傳感器作為微型機電系統的核心器件，憑借微型化、集成化、低功耗的優勢，廣泛應用于汽車電子、消費電子、工業檢測、醫療健康等領域。其核心結構（如懸臂梁、膜片、梳齒電極等）的光學3D輪廓參數（如厚度、高度差、表面粗糙度、結構間隙等）直接決定傳感靈敏度、響應速度及工作穩定性，對測量精度提出納米級嚴苛要求。傳統二維測量方法僅能獲取局部尺寸信息，無法完整表征MEMS微結構的三維形貌特征，難以滿足高精度MEMS器件的質量管控需求。3D白光干涉儀憑借非接觸測量特性、納米級分辨率及全域三維形貌重建能力，可快速精準捕捉MEMS傳感器核心結構的完整光學3D輪廓，為MEMS制備工藝優化提供可靠數據支撐。本文重點探討3D白光干涉儀在MEMS傳感器光學3D輪廓測量中的應用。

2、 3D白光干涉儀測量原理

3D白光干涉儀以寬光譜白光為光源，經分束器分為參考光與物光兩路。參考光射向固定參考鏡反射，物光經高數值孔徑物鏡聚焦后照射至MEMS傳感器核心微結構表面，反射光沿原路徑返回并與參考光匯交產生干涉條紋。因白光相干長度極短（僅數微米），僅在光程差接近零時形成清晰干涉條紋。通過壓電陶瓷驅動裝置帶動參考鏡進行精密掃描，高靈敏度探測器同步采集干涉條紋強度變化，形成干涉信號包絡曲線，曲線峰值位置精準對應MEMS微結構表面各點的三維坐標。結合全域掃描拼接與微結構輪廓擬合技術，可完整重建MEMS傳感器核心結構的全域光學3D輪廓，精準提取厚度、高度差、表面粗糙度、結構間隙等核心光學參數，其垂直分辨率可達亞納米級，適配微納尺度MEMS結構的高精度測量需求。

3 、3D白光干涉儀在MEMS傳感器光學3D輪廓測量中的應用

3.1 光學3D輪廓精準重建與參數提取

針對MEMS傳感器核心微結構（尺寸范圍1 μm-200 μm、厚度/高度差50 nm-50 μm）的光學3D輪廓測量需求，3D白光干涉儀可通過優化測量策略實現精準表征。測量時，根據微結構類型與尺寸選取適配物鏡倍率與掃描范圍，對MEMS傳感器核心區域進行高精度掃描，通過三維點云拼接技術重建完整的光學3D輪廓。采用微結構特征提取算法，自動識別懸臂梁的厚度與撓度、膜片的平整度、梳齒電極的間隙等關鍵參數，精準計算核心指標數值。實驗數據表明，其厚度測量誤差≤2 nm，結構間隙測量誤差≤5 nm，可有效捕捉光刻、蝕刻、鍵合等制備工藝中參數波動導致的輪廓偏差，為工藝優化提供精準量化依據，同時支持MEMS傳感器陣列的全域均勻性評估。

3.2 形貌缺陷同步檢測

MEMS傳感器制備過程中易出現的微結構變形、邊緣毛刺、表面劃痕、結構粘連等缺陷，會嚴重影響傳感性能與工作穩定性。3D白光干涉儀在重建光學3D輪廓的同時，可同步識別此類缺陷。當檢測到懸臂梁撓度偏差超過50 nm、邊緣毛刺高度超過30 nm，或梳齒電極存在粘連、表面劃痕長度超過200 nm時，可判定為不合格產品。通過缺陷的尺寸、位置量化分析，可追溯光刻掩膜精度、蝕刻工藝參數、鍵合溫度等制備環節的問題。例如，當出現梳齒電極粘連缺陷時，可反饋調整蝕刻時間或清洗工藝參數，提升MEMS傳感器成型質量。

相較于傳統光學顯微鏡的二維觀測局限，3D白光干涉儀可提供完整的MEMS傳感器光學3D輪廓信息，實現多維度微結構參數的精準量化；相較于原子力顯微鏡的點掃描低效率缺陷，其具備更快的全域掃描速度（單個核心微結構測量時間≤5 s），可滿足產業化批量檢測需求。同時，非接觸測量模式可避免損傷MEMS傳感器脆弱的微結構，保障樣品完整性。通過為MEMS傳感器提供全面、精準的光學3D輪廓測量數據及缺陷檢測結果，3D白光干涉儀可助力構建嚴格的質量管控體系，提升MEMS傳感器制備良率與性能穩定性，為MEMS技術產業化發展提供關鍵技術支撐。

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（以上數據為新啟航實測結果）

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審核編輯 黃宇