CN110763169A - 一种基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸的测量方法，包括以下步骤：利用CT扫描设备对微流控芯片进行断层扫描以得到微流控芯片的三维数据体；利用三维重构技术处理三维数据体，得到微流控芯片中微通道的网格模型，通过模型分割方法将网格模型分割成独立的微通道结构；利用8‑Subiteration细化算法，提取微通道结构的中轴线处各点坐标参数，利用最小二乘法拟合成中轴线，得到中轴线方程；利用powercrust算法，提取扁平通道的中轴面，并提取微通道结构的中轴面上点的坐标参数，利用最小二乘法拟合成平面，得到平面方程。本发明能够在不破坏微流控芯片结构的情况下，进行结构尺寸的测量。

Description

一种基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法

技术领域

本发明属于结构尺寸测量技术领域，具体涉及一种基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法。

背景技术

微通道是微流控芯片的基础结构，它的加工质量对微流控芯片的功能分析起到很重要的作用。同传统机械零件一样，微流控芯片的结构尺寸在加工过程中存在尺寸误差，包括距离尺寸误差和角度数值误差，其对微流控芯片性能的影响不容忽视，在加工过程中，结构尺寸的加工误差难以保证，需要后期对结构尺寸进行测量。

微流控芯片属于新领域，其结构尺寸的无损测量方法的发展刚刚处于起步状态。

发明人了解到：现有微流控芯片结构尺寸的测量技术包括接触式测量技术和非接触式测量技术。接触式测量技术主要包括触针式轮廓仪等，只能测量微流控芯片简单微通道的轮廓尺寸，很难直接测量微流控芯片复杂微通道的结构尺寸；非接触式测量技术主要包括扫描电子显微镜、白光干涉检测等，检测环境要求高，操作复杂；两种测量手段都需要对被测微流控芯片进行切割取样，都是破坏式测量。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法，能够在不破坏微流控芯片结构的情况下，进行微流控芯片微通道结构尺寸的测量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法，包括以下步骤：

步骤1，利用CT扫描设备对微流控芯片进行断层扫描以得到微流控芯片的三维数据体。

步骤2，利用三维重构技术处理三维数据体，得到微流控芯片中微通道的网格模型，通过模型分割方法将网格模型分割成独立的微通道结构。

步骤3，对微通道结构的深宽比进行判断，所述深宽比指的是深度与宽度的比值，当深宽比大于设定范围或小于设定范围时，将微通道结构定义为扁平通道，采用步骤5；当深宽比数值在设定范围内时，微通道结构的横截面近似于正方形，采用步骤4。

步骤4，利用8-Subiteration细化算法，提取微通道结构的中轴线处各点坐标参数，利用最小二乘法拟合成中轴线，得到中轴线方程。

步骤5，利用powercrust算法，提取扁平通道的中轴面，并提取微通道结构的中轴面上点的坐标参数，利用最小二乘法拟合成平面，得到平面方程。

步骤6，当相邻两微通道结构的中轴线或中轴面平行时，计算两中轴线间的距离或两中轴面间的距离，来表征两通道之间的距离尺寸。

当相邻两微通道结构的中轴线或中轴面不平行时，计算两中轴线间的夹角或两中轴面间的夹角，来表征两通道之间的角度数值。

步骤7，重复步骤1-6多次(次数用N表示)，对得到的数据进行以下处理：

计算测量结果的算术平均值：

计算样本标准差：

计算极限误差：

进行测量的重复性误差计算，误差的最大值δ₁和最小值δ₂分别为：

测量结果表示：

本发明的有益效果：

1)采用CT扫描设备对微通道芯片进行扫描，能够得到微流控芯片的三维数据体，在不破坏微通道结构的情况下，能够得到微通道的三维信息，为后续的结构尺寸测量提供了基础。

2)采用三维重构技术处理三维数据体，能够将微流控芯片划分成单个的网格模型，方便将三维数据体分隔成单个的微通道结构，进而计算不同微通道结构之间的结构尺寸。

3)针对近似正方形横截面的微通道结构，采用提取微通道结构的中轴线处各点坐标参数以拟合中轴线；针对扁平的微通道结构，采用中轴面处各点坐标参数以拟合成中轴面；以此得到的中轴线方程或中轴面方程可以作为计算两微通道结构尺寸的基础。

4)采用两中轴线(中轴面)之间的距离以表征距离尺寸，两中轴线(中轴面)之间的夹角以表征角度数值，避免直接测量对微通道结构造成的破坏。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例中处理流程示意图；

图2为本发明实施例中基于中轴线的距离尺寸测量示意图；

图3为本发明实施例中基于中轴线的角度数值测量示意图；

图4为本发明实施例中基于中轴面的距离尺寸测量示意图；

图5为本发明实施例中基于中轴面的角度数值测量示意图；

图中，1、基准中轴线；2、第一待测中轴线；3、基准微通道结构；4、第一微通道结构。1A、基准中轴面；2A、第一待测中轴面

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供优选的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种典型实施方式中，如图1-5所示，一种基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法，包括以下步骤：

步骤1，利用CT扫描设备对微流控芯片进行断层扫描以得到微流控芯片的三维数据体。

步骤2，利用三维重构技术处理三维数据体，得到微流控芯片中微通道的网格模型，通过模型分割方法将网格模型分割成独立的微通道结构。

具体的，采用MC算法建立微流控芯片中微通道的网格模型；利用Avizo软件将网格模型分割成独立的微通道结构。

步骤3，对微通道结构的深宽比进行判断，所述深宽比指的是深度与宽度的比值，当深宽比大于设定范围或小于设定范围时，将微通道结构定义为扁平通道，采用步骤5；当深宽比数值在设定范围内时，微通道结构的横截面近似于正方形，将微通道结构定义为类正方形通道，采用步骤4。

具体的，当深宽比数值较大时，微通道结构的深度相对较大，宽度相对较小，结构较为扁平，用中轴线之间的几何关系来表征微通道结构的几何关系，有局限性，有误差，提取的中轴线不能很好的反映扁平通道的结构特征；

当深宽比数值较低时，微通道结构的深度相对较小，宽度较大，结构也较为扁平，用中轴线之间的几何关系来表征微通道结构的几何关系，有局限性，有误差，提取的中轴线不能很好的反映扁平通道的结构特征。

需要指出的是，深宽比较大或者深宽比较小(未处于设定深宽比范围)时，微通道结构都为扁平结构。

当深宽比数值处于设定范围内(具体的深宽比范围由本领域技术人员自行设置，其在数值1左右分布)，微通道结构的横截面近似正方形，才提取中轴线，否则提取中轴面。

在一些实施方式中深宽比的设定范围可以为0.9-1.1，在另外一些实施方式中，该数值由本领域技术人员自行设置。

即：扁平的微通道结构采用提取中轴面的方法，近似正方形截面的微通道结构采用提取中轴线的方法。

步骤4，利用8-Subiteration细化算法，提取微通道结构的中轴线处各点坐标参数，利用最小二乘法拟合成中轴线，得到中轴线方程。

步骤5，利用powercrust算法，提取扁平通道的中轴面，并提取微通道结构的中轴面上点的坐标参数，利用最小二乘法拟合成平面，得到平面方程。

具体的，将中轴线或中轴面处各点坐标参数用参数方程表示为：

F(x,y,z)＝a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²

+2a₁₂xy+2a₂₃yz+2a₁₃xz

+2a₁₄x+2a₂₄y+2a₃₄z+a₄₄＝0

其中，a₁₁、a₂₂ a₃₃、a₁₂、a₂₃、a₁₃、a₁₄、a₂₄、a₃₄、a₄₄为常数，将中轴线或中轴面的数据点P_i(x_i,y_i,z_i),i＝1,2,…n(n为数据点个数)代入参数方程，解超定方程组；通过最小二乘法，将其转化为求解使残差ε最小的目标函数的参数值；

其中，残差

假设得到的中轴线或中轴面中有n个数据点(x_i,y_i,z_i),i＝1,2,3,…,n，有如下方程：

Ax＝b

其中：

x＝[a₁₁,a₂₂,a₃₃,a₁₂,a₂₃,a₁₃,a₁₄,a₂₄,a₃₄]^T

b＝-a₄₄(1,1,…1)^T；

当系数a₄₄＝0时，即Ax＝0；假设矩阵(A^TA)的特征值为λ_i(i＝1,2,…9)，如果存在一个特征值，该特征值满足λ_j＝0，则有(A^TA)x＝λ_jx＝0，该特征值对应的特征向量即为参数方程的解；

根据参数方程的解，得到微通道结构的中轴线方程或中轴面方程。

步骤6：

如图2与图4所示，若两微通道平行，则两微通道之间的距离可认定为两微通道中轴线(或中轴面)之间的距离，可以按照空间直线(或空间平面)之间的距离进行计算。

图2中以两微通道结构的中轴线间的距离尺寸为例:包括基准微通道结构3(其具有基准中轴线1)、第一微通道结构4(其具有第一待测中轴线2)，基准微通道结构3与第一微通道结构4的基准中轴线1平行。

假设两个微通道中轴线为：

line1(基准中轴线):

line2(第一待测中轴线):

式中，line1的方向向量(L₁,M₁,N₁)，line2的方向向量(L₂,M₂,N₂)。

以line1上一点到line2的距离作为line1到line2的距离；由上公式，line1上一点为P(x₁,y₁,z₁)，点P到line2的距离为：

其中，

图4中以两微通道结构的中轴面间的距离尺寸为例:以两微通道结构的中轴面的距离尺寸为例:包括基准微通道结构3(其具有基准中轴面1A)、第一微通道结构4(其具有第一待测中轴面2A)，基准微通道结构与第一微通道结构的中轴线平行。

假设两个微通道结构中轴面为：

face1:f(x,y,z)＝a₁x+b₁y+c₁z+d₁＝0；

face2:f(x,y,z)＝a₂x+b₂y+c₂z+d₂＝0；

因存在误差，face1与face2可能不完全平行，即a₁≠a₂,b₁≠b₂,c₁≠c₂。因此取其几何均值进行两中轴面之间的距离计算。face1与face2之间的距离为：

如图3与图5所示，当相邻两微通道结构不平行，即中轴线(或中轴面)不平行时，计算两中轴线间的夹角或两中轴面间的夹角以表征角度数值。

若两中轴线不平行，需要计算中轴线之间的夹角，以上述line1和line2的直线方程为基础，计算公式如下：

式中，line1的方向向量n₁＝(L₁,M₁,N₁)，line2的方向向量n₂＝(L₂,M₂,N₂)。

若两个中轴面不平行，则需要计算面与面之间的夹角，以上述face1和face2的平面方程为基础，面与面之间的夹角转换为面的法向量之间的夹角计算：

式中，n₁是face1的法向量，n₂是face2的法向量。

步骤7，重复步骤1-6多次(此处以10次为例)，对得到的数据进行以下处理：

计算测量结果的算术平均值：

需要指出的是；l_i指的是第i次得到的测量数据，当进行距离尺寸的测量时，l_i指的是第i次测量得到的距离尺寸；当进行角度数值的测量时，l_i指的是第i次测量得到的角度数值。

计算样本标准差：

计算极限误差：

进行测量的重复性误差计算，最大值δ₁和最小值δ₂分别为：

测量结果表示：

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用CT扫描设备对微流控芯片进行断层扫描以得到微流控芯片的三维数据体；

步骤2，利用三维重构技术处理三维数据体，得到微流控芯片中微通道的网格模型，通过模型分割方法将网格模型分割成独立的微通道结构；

步骤3，对微通道结构的深宽比进行判断，所述深宽比指的是深度与宽度的比值，当深宽比大于设定范围或小于设定范围时，将微通道结构定义为扁平通道，采用步骤5；当深宽比数值在设定范围内时，采用步骤4；

步骤4，利用8-Subiteration细化算法，提取微通道结构的中轴线处各点坐标参数，利用最小二乘法拟合成中轴线，得到中轴线方程。

步骤5，利用powercrust算法，提取扁平通道的中轴面，并提取微通道结构的中轴面上点的坐标参数，利用最小二乘法拟合成平面，得到平面方程。

步骤6，当相邻两微通道结构的中轴线或中轴面平行时，计算两中轴线间的距离或两中轴面间的距离，来表征两通道之间的距离尺寸。

当相邻两微通道结构的中轴线或中轴面不平行时，计算两中轴线间的夹角或两中轴面间的夹角，来表征两通道之间的角度数值。

步骤7，重复步骤1-6多次，将步骤6中得到的数据取平均值。

2.根据权利要求1所述的基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤2中采用MC算法建立微流控芯片中微通道的网格模型；

利用Avizo软件将网格模型分割成独立的微通道结构。

3.根据权利要求1所述的基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法，其特征在于，将中轴线或中轴面处各点坐标参数用参数方程表示为：

F(x,y,z)＝a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²+2a₁₂xy+2a₂₃yz+2a₁₃xz+2a₁₄x+2a₂₄y+2a₃₄z+a₄₄＝0

其中，a₁₁、a₂₂ a₃₃、a₁₂、a₂₃、a₁₃、a₁₄、a₂₄、a₃₄、a₄₄为常数，将中轴线或中轴面的数据点P_i(x_i,y_i,z_i),i＝1,2,…n(n为数据点个数)代入参数方程，解超定方程组；通过最小二乘法，将其转化为求解使残差ε最小的目标函数的参数值；

其中，残差

假设得到的中轴线或中轴面中有n个数据点(x_i,y_i,z_i),i＝1,2,3,…,n，有如下方程：

Ax＝b

其中：

x＝[a₁₁,a₂₂,a₃₃,a₁₂,a₂₃,a₁₃,a₁₄,a₂₄,a₃₄]^T

b＝-a₄₄(1,1,…1)^T；

当系数a₄₄＝0时，即Ax＝0；假设矩阵(A^TA)的特征值为λ_i(i＝1,2,…9)，如果存在一个特征值，该特征值满足λ_j＝0，则有(A^TA)x＝λ_jx＝0，该特征值对应的特征向量即为参数方程的解；

根据参数方程的解，得到微通道结构的中轴线方程或中轴面方程。

4.根据权利要求1所述的基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤6中：

若两微通道平行，当微通道的深宽比处于设定范围内时，则两微通道之间的距离可认定为两微通道中轴线之间的距离，可以按照空间直线之间的距离进行计算；

假设两个微通道中轴线为：

line1:

line2:

其中，line1的方向向量(L₁,M₁,N₁)，line2的方向向量(L₂,M₂,N₂)；

以line1上一点到line2的距离作为line1到line2的距离；由上公式，line1上一点为P(x₁,y₁,z₁)，点P到line2的距离为：

其中，

5.根据权利要求1所述的基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法，其特征在于，若两个微通道结构平行，当微通道的深宽比未处于设定范围内时，则两微通道之间的距离可认定为两微通道中轴面之间的距离，可以按照空间直线之间的距离进行计算：

假设两个微通道中轴面为：

face1:f(x,y,z)＝a₁x+b₁y+c₁z+d₁＝0；face2:f(x,y,z)＝a₂x+b₂y+c₂z+d₂＝0；

因存在误差，face1与face2可能不完全平行，即a₁≠a₂,b₁≠b₂,c₁≠c₂；因此取其几何均值进行两中轴面之间的距离计算；face1与face2之间的距离为：

6.根据权利要求4所述的基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤6中：

若两个微通道结构不平行，微通道的深宽比处于设定范围内时，需要计算中轴线之间的夹角，计算公式与二面角相似，即：

7.根据权利要求5所述的基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤6中：

若两个微通道结构不平行，当微通道的深宽比未处于设定范围内时，则需要计算面与面之间的夹角，面与面之间的夹角转换为面的法向量之间的夹角计算：

8.根据权利要求1所述的基于重构模型中轴线、中轴面的结构尺寸测量方法，其特征在于，所述步骤7中：

对结构尺寸的测量，进行N组重复实验，对得到的数据进行以下处理：

计算测量结果的算术平均值：

其中，l指的是测量数据值，l_i指的是第i次得到的测量数据，当进行距离尺寸的测量时，l_i指的是第i次测量得到的距离尺寸；当进行角度数值的测量时，l_i指的是第i次测量得到的角度数值。

计算样本标准差：

计算极限误差：

测量结果表示：

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