微结构三维几何尺寸测量作为微检测技术的一个重要组成部分，其高度的测量，尤其是厚度的测量非常难实现。通常采用的是光学方法测量，但纯粹的光学测量方法很难对分布于器件内部、轮廓形貌没有凸现于表面或完全包络于器件外部的薄膜结构的厚度进行测量。而随着微机械技术的发展，微细加工技术更加多样，MEMS基片的结构将更加复杂，因此探索一种新的能够满足要求的测量方法势在必行。 本文对MEMS基片厚度激光超声测量的基本理论，系统设计方案和数据分析方法作了研究。 在基础理论方面研究了激光(特别是超短脉冲激光)超声的激励机理，探讨了激光调制技术以提高系统信噪比，阐述了泵束探针束技术及相关实验设置；在系统设计上，以激光超声为基本原理，以泵束探针束技术为系统设计方案完成了MEMS基片厚度测量系统的设计；在数据分析方法上，利用声致光反射率变化的一般规律对测得的光反射率曲线进行分析，确定超声回波在薄膜两界面间来回传播的时间，以计算薄膜的厚度。 本文所构建的厚度测量系统，针对铝膜最小测量尺寸可达到20nm左右，测单层膜厚度相对误差在2％以下，测双层膜厚度相对误差在10％以下。