專利名稱：一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè) 量系統(tǒng)及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
電子產(chǎn)品的高集成度與高性能化發(fā)展趨勢(shì)以及微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectro Mechanical Systems,MEMS)技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展，對(duì)超精表面及微結(jié)構(gòu)檢測(cè)提出了越來(lái)越高的 要求，從而帶動(dòng)了超精表面微納測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展。目前，微納測(cè)量技術(shù)可分為接觸式與 非接觸式兩類，接觸檢測(cè)方法包括電感式、壓電式、光電式等，非接觸檢測(cè)方法包括光學(xué)法、 電子法等。常用的超精表面測(cè)量方法包括傳統(tǒng)的光學(xué)干涉測(cè)量、掃描探針測(cè)量、電容位移測(cè) 量、掃描電鏡測(cè)量等。目前的光學(xué)測(cè)量方法對(duì)于粗糙度檢測(cè)已能達(dá)到埃級(jí)分辨率，如激光 干涉法、橢偏 法、散射法等。但是，由于受瑞利衍射極限限制，光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的橫向分辨率限制了橫向納 米量級(jí)分辨率的超精表面檢測(cè)。此外，掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)與原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscopy,AFM)對(duì)表面檢測(cè)的縱向、橫向分辨率都能達(dá)到納米級(jí)精度，但 是，其系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、價(jià)格昂貴，測(cè)量范圍較小，一般只有幾個(gè)微米到幾十個(gè)微 米，并且對(duì)測(cè)量環(huán)境等要求非常高；同時(shí)，利用掃描隧道顯微鏡只能觀察導(dǎo)電樣品?？傊?，需要本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題就是如何能夠提供一種樣 品表面測(cè)量方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且在保證測(cè)量范圍的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高分辨率的超精表面的 檢測(cè)需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng) 及其測(cè)量方法，該測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且可以實(shí)現(xiàn)高分辨率、大范圍超精表面的檢測(cè)。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng)， 包括光纖位移傳感單元，包括發(fā)射光纖和接收光纖，用于檢測(cè)發(fā)射光纖入射到接收光 纖的光功率，并將所述光功率轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入到系統(tǒng)控制單元；光纖對(duì)準(zhǔn)單元，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的監(jiān)視對(duì)發(fā)射光纖和接收光纖進(jìn)行軸對(duì) 準(zhǔn)；微懸臂探針單元，包括帶測(cè)頭微探針，所述帶測(cè)頭微探針包括彈性微懸臂、分別 與彈性微懸臂的一端垂直連接的微平板測(cè)頭和微探針，所述微平板測(cè)頭位于發(fā)射光纖和接 收光纖之間；所述微懸臂探針單元用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制，通過(guò)改變彈性微懸臂的 位置或彈性形變，調(diào)整微探針在樣品表面上的位置，并帶動(dòng)微平板測(cè)頭產(chǎn)生垂直位移，改變 入射到接收光纖的光功率；
三維掃描單元，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制，使樣品做三維移動(dòng)掃描；系統(tǒng)控制單元，用于對(duì)光纖對(duì)準(zhǔn)單元的軸對(duì)準(zhǔn)操作、微探針和三維掃描單元的運(yùn) 動(dòng)進(jìn)行監(jiān)視或控制，并對(duì)接收到的電信號(hào)和微探針在樣品表面上的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲 得樣品的表面結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述光纖位移傳感單元還包括激光光源，用于輸出光；光纖準(zhǔn)直器，用于通過(guò)對(duì)激光光源輸出的光束進(jìn)行整形，耦合到發(fā)射光纖中；光電探測(cè)器，用于通過(guò)對(duì)接收光纖輸出的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓；
A/D采集卡，用于采集光電探測(cè)器輸出的電壓，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將得到的電信號(hào)輸 入到系統(tǒng)控制單元。優(yōu)選的，所述光纖對(duì)準(zhǔn)單元包括五維對(duì)準(zhǔn)臺(tái)，用于固定光纖位移傳感單元的發(fā)射光纖，以及通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射光纖的 出光端面的位置對(duì)發(fā)射光纖和接收光纖進(jìn)行軸對(duì)準(zhǔn)；光纖固定架，用于固定光纖位移傳感單元的接收光纖；顯微攝像頭，用于對(duì)發(fā)射光纖的出光端面和接收光纖的入光端面進(jìn)行拍攝；視頻采集卡，用于采集顯微攝像頭拍攝到的視頻信號(hào)，并將所述視頻信號(hào)傳輸至 系統(tǒng)控制單元。優(yōu)選的，所述微懸臂探針單元還包括信號(hào)發(fā)生器，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制，向高頻壓電塊輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；高頻壓電塊，用于根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生伸縮位移或者按照預(yù)置頻率、幅值進(jìn)行 振動(dòng)；則所述彈性微懸臂的另一端固定于高頻壓電塊上，彈性微懸臂依據(jù)高頻壓電塊的 運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)微探針產(chǎn)生垂直位移。優(yōu)選的，所述彈性微懸臂根據(jù)微探針的垂直位移帶動(dòng)微平板測(cè)頭相對(duì)于發(fā)射光纖 的出光端面和接收光纖的入光端面進(jìn)行無(wú)接觸垂直移動(dòng)；所述微平板測(cè)頭的頂端的初始位置位于發(fā)射光纖和接收光纖的軸線上。優(yōu)選的，所述三維掃描單元包括三維掃描臺(tái)，用于固定待測(cè)量樣品，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓帶動(dòng)樣品在空間X、Y、Z三個(gè) 方向做平移掃描；高壓穩(wěn)壓源，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制向三維掃描臺(tái)輸出驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)三 維掃描臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選的，所述系統(tǒng)控制單元包括系統(tǒng)控制接口，用于向信號(hào)發(fā)生器和高壓穩(wěn)壓源輸出工控機(jī)的控制信號(hào)，以及接 收A/D采集卡的電信號(hào)和視頻采集卡的視頻信號(hào)；監(jiān)視器，用于對(duì)發(fā)射光纖的出光端面和接收光纖的入光端面進(jìn)行可視化監(jiān)視；工控機(jī)，用于產(chǎn)生控制信號(hào)，以及對(duì)接收到的電信號(hào)、微探針產(chǎn)生的垂直位移和樣 品的平面掃描位置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得樣品的表面結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述測(cè)量系統(tǒng)的工作模式包括接觸式、非接觸式和輕敲式。此外，本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量方法，包括
依據(jù)系統(tǒng)控制單元的監(jiān)視，通過(guò)光纖對(duì)準(zhǔn)單元對(duì)發(fā)射光纖和接收光纖進(jìn)行軸對(duì) 準(zhǔn)；依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制，使樣品做三維移動(dòng)掃描；同時(shí)通過(guò)微懸臂探針單元調(diào)整彈性微懸臂的位置，改變微探針在樣品表面上的位置，并帶動(dòng)微平板測(cè)頭產(chǎn)生垂直位移， 改變?nèi)肷涞浇邮展饫w的光功率；通過(guò)光纖位移傳感單元檢測(cè)發(fā)射光纖入射到接收光纖的光功率，并將所述光功率 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入到系統(tǒng)控制單元；在系統(tǒng)控制單元中對(duì)接收到的電信號(hào)和微探針在樣品表面上的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理，獲得樣品的表面結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述測(cè)量方法的工作模式包括接觸式、非接觸式和輕敲式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提出的一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，通過(guò)微 探針在樣品表面的不同距離變化，帶動(dòng)微平板測(cè)頭產(chǎn)生垂直的位移變化，使探測(cè)到的光功 率(對(duì)應(yīng)電信號(hào))發(fā)生變化，從而檢測(cè)分析得到樣品表面上的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明避免了傳統(tǒng)光 學(xué)系統(tǒng)搭建所需的復(fù)雜光路以及諸多分立的光學(xué)器件，光纖光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光學(xué)器件少，光 纖傳輸受空氣擾動(dòng)的影響較低，穩(wěn)定性好。進(jìn)一步，通過(guò)光纖位移傳感單元測(cè)量微探針的垂直方向振動(dòng)位移，一方面，利用微 探針的納米尺度針尖，獲得納米量級(jí)的橫向分辨率，另一方面，基于光纖光強(qiáng)位移傳感，實(shí) 現(xiàn)納米量級(jí)精度的縱向分辨率。光纖位移傳感與帶測(cè)頭微探針相結(jié)合，使測(cè)量系統(tǒng)分辨率、 精度得到提高，測(cè)量范圍可調(diào)，可達(dá)幾十微米。此外，利用五維對(duì)準(zhǔn)臺(tái)與機(jī)器視覺(jué)方式可實(shí)現(xiàn)光纖非接觸式對(duì)準(zhǔn)；本發(fā)明測(cè)量系 統(tǒng)可工作于接觸式、非接觸式和輕敲式三種模式下，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率、大范圍超精表面粗 糙度、輪廓及表面特征尺寸的檢測(cè)系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例的原理示意圖；圖3是本發(fā)明一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量方法實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí) 施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。參照?qǐng)D1，示出了本發(fā)明一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例一的 結(jié)構(gòu)圖，包括光纖位移傳感單元100，包括發(fā)射光纖101和接收光纖102，用于檢測(cè)發(fā)射光纖入 射到接收光纖的光功率，并將所述光功率轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入到系統(tǒng)控制單元；光纖對(duì)準(zhǔn)單元200，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元500的監(jiān)視對(duì)發(fā)射光纖101和接收光纖 102進(jìn)行軸對(duì)準(zhǔn)；微懸臂探針單元300，包括帶測(cè)頭微探針，所述帶測(cè)頭微探針包括彈性微懸臂3011、分別與彈性微懸臂3011的一端垂直連接的微探針3012和微平板測(cè)頭3013，所述微 平板測(cè)頭3013位于發(fā)射光纖101和接收光纖102之間；所述微懸臂探針單元300用于依據(jù) 系統(tǒng)控制單元500的控制，通過(guò)改變彈性微懸臂3011的位置或彈性形變，調(diào)整微探針3012 在樣品表面上的位置，并帶動(dòng)微平板測(cè)頭3013產(chǎn)生垂直，改變?nèi)肷涞浇邮展饫w102的光功 率；三維掃描單元400，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元500的控制，使樣品做三維移動(dòng)掃描；系統(tǒng)控制單元500，用于對(duì)光纖對(duì)準(zhǔn)單元200的軸對(duì)準(zhǔn)操作、微探針3012和三維掃 描單元400的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)視或控制，并對(duì)接收到的電信號(hào)和微探針在樣品表面上的位置進(jìn) 行數(shù)據(jù)處理，獲得樣品的表面結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1所示，上述各個(gè)單元由以下部件組成所述光纖位移傳感單元100還包括激光光源103，用于輸出光；光纖準(zhǔn)直器104，用于通過(guò)對(duì)激光光源輸出的光束進(jìn)行整形，耦合到發(fā)射光纖中；光電探測(cè)器105，用于通過(guò)對(duì)接收光纖輸出的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓；A/D采集卡106，用于采集光電探測(cè)器輸出的電壓，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將得到的電信 號(hào)輸入到系統(tǒng)控制單元。所述光纖對(duì)準(zhǔn)單元200包括五維對(duì)準(zhǔn)臺(tái)201，用于固定光纖位移傳感單元的發(fā)射光纖，以及通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射光纖 的出光端面的位置對(duì)發(fā)射光纖和接收光纖進(jìn)行軸對(duì)準(zhǔn)；光纖固定架202，用于固定光纖位移傳感單元的接收光纖；顯微攝像頭203，用于對(duì)發(fā)射光纖的出光端面和接收光纖的入光端面進(jìn)行拍攝；視頻采集卡204，用于采集顯微攝像頭拍攝到的視頻信號(hào)，并將所述視頻信號(hào)傳輸 至系統(tǒng)控制單元。所述微懸臂探針單元300還包括信號(hào)發(fā)生器302，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制，向高頻壓電塊輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；高頻壓電塊303，用于根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生伸縮位移或者按照預(yù)置頻率、幅值進(jìn) 行振動(dòng)；則所述彈性微懸臂3011的另一端固定于所述高頻壓電塊303上，彈性微懸臂依據(jù) 高頻壓電塊的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)微探針3012產(chǎn)生垂直位移。其中，所述微探針通過(guò)彈性微懸臂帶動(dòng)微平板測(cè)頭相對(duì)于發(fā)射光纖的出光端面和 接收光纖的入光端面進(jìn)行無(wú)接觸垂直移動(dòng)；所述微平板測(cè)頭的頂端的初始位置位于發(fā)射光纖和接收光纖的軸線上。所述三維掃描單元400包括三維掃描臺(tái)401，用于固定待測(cè)量樣品，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓帶動(dòng)樣品在空間X、Y、Z三 個(gè)方向做平移掃描；高壓穩(wěn)壓源402，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制向三維掃描臺(tái)輸出驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng) 三維掃描臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。所述系統(tǒng)控制單元500包括系統(tǒng)控制接口 501，用于向信號(hào)發(fā)生器和高壓穩(wěn)壓源輸出工控機(jī)的控制信號(hào)，以及接收A/D采集卡的電信號(hào)和視頻采集卡的視頻信號(hào)；監(jiān)視器502，用于對(duì)發(fā)射光纖的出光端面和接收光纖的入光端面進(jìn)行可視化監(jiān) 視；工控機(jī)503，用于產(chǎn)生控制信號(hào)，以及對(duì)接收到的電信號(hào)、微探針產(chǎn)生的垂直位移 和樣品的平面掃描位置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得樣品的表面結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下在光纖位移傳感單元100中，激光光源103輸出的光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器104進(jìn)行光束 整形后，耦合到發(fā)射光纖101中；發(fā)射光纖101固定于光纖對(duì)準(zhǔn)單元200的五維對(duì)準(zhǔn)臺(tái)201 上；接收光纖102固定于光纖對(duì)準(zhǔn)單元200的光纖固定架202上；發(fā)射光纖101的出光端面 (本實(shí)施例中為右端面)與接收光纖102入光端面(本實(shí)施例中為左端面)的相對(duì)位置關(guān) 系可通過(guò)光纖對(duì)準(zhǔn)單元200的五維對(duì)準(zhǔn)臺(tái)201精密調(diào)整，以保證二者獲得最優(yōu)光耦合效，所 述五維對(duì)準(zhǔn)臺(tái)的調(diào)節(jié)包括X、Y、Z方向的平移，以及X、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，其中Z方向?yàn)榘l(fā)射光 纖和入射光纖的軸向方向。接收光纖102傳導(dǎo)、輸出的光，由光電探測(cè)器105接收并對(duì)光強(qiáng) 進(jìn)行光電變換，產(chǎn)生與光強(qiáng)(或光功率)相對(duì)應(yīng)的電壓；光電探測(cè)器105的輸出電壓，經(jīng)A/ D采集卡106，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)系統(tǒng)控制單元500的控制接口 501采集到 工控機(jī)503中，為超精表面測(cè)量后續(xù)處理提供Z向數(shù)據(jù)源。
在光纖對(duì)準(zhǔn)單元200中，五維對(duì)準(zhǔn)臺(tái)201固定光纖位移傳感單元100中的發(fā)射光 纖101，并精密調(diào)節(jié)發(fā)射光纖103右端面的空間位置；光纖固定架202用于固定光纖位移傳 感單元100中的接收光纖102 ；顯微攝像頭203的工作距離和放大倍數(shù)可調(diào)；光纖位移傳感 單元100中發(fā)射光纖101右端面與接收光纖102左端面的相對(duì)位置關(guān)系，經(jīng)顯微攝像頭203 和視頻采集卡204實(shí)現(xiàn)視覺(jué)成像，通過(guò)系統(tǒng)控制單元500中的顯示器502進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并 與五維對(duì)準(zhǔn)臺(tái)201的精密調(diào)節(jié)相配合，實(shí)現(xiàn)發(fā)射光纖101右端面與接收光纖102左端面空 間相對(duì)位置的閉環(huán)反饋控制。在微懸臂探針單元300中，帶測(cè)頭微探針剛性固定于高頻壓電塊303上；帶測(cè)頭 微探針包括彈性微懸臂3011 (水平放置)、微平板測(cè)頭3013 (豎直放置，其底端與彈性微懸 臂的一端相連)、以及微探針3012 (豎直放置，其頂端與彈性微懸臂的一端相連)三部分； 微平板測(cè)頭3013位于光纖位移傳感單元100中發(fā)射光纖101右端面與接收光纖102左端 面之間，可相對(duì)二者做無(wú)接觸垂直上下移動(dòng)；系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中，微探針3012與樣品上表面 可進(jìn)行接觸式、非接觸式或輕敲三種不同工作模式；彈性微懸臂3013由具有一定彈性的材 料制成，在外力作用下可發(fā)生彎曲(彈性形變)或振動(dòng)，其左端與微平板測(cè)頭3013、微探針 3012連接，右端固定于高頻壓電塊303上；高頻壓電塊303由信號(hào)發(fā)生器302的輸出電壓 信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生伸縮位移或按照預(yù)置頻率、幅值進(jìn)行振動(dòng)，從而使得帶測(cè)頭微探針3012 沿空間Z向產(chǎn)生上下的相對(duì)位移。在三維掃描單元400中，待測(cè)量樣品固定于三維掃描臺(tái)401上，并隨三維掃描臺(tái) 401在空間X、Y、Z三個(gè)方向做精密平移掃描；三維掃描臺(tái)401的驅(qū)動(dòng)電壓由高壓穩(wěn)壓源402 輸出。在系統(tǒng)控制單元500中，系統(tǒng)控制接口 501分別與其他單元中的A/D采集卡106、 視頻采集卡204、信號(hào)發(fā)生器302、高壓穩(wěn)壓源402的接口相連接；通過(guò)監(jiān)視器502對(duì)光纖對(duì) 準(zhǔn)單元中發(fā)射光纖103右端面與接收光纖104左端面相對(duì)位置的可視化顯示，并通過(guò)工控機(jī)503進(jìn)行系統(tǒng)控制與測(cè)量數(shù)據(jù)處理。如圖2所示，為本發(fā)明一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例的原理 示意圖。其中，由彈性微懸臂、微探針和微平板測(cè)頭組成帶測(cè)頭微探針301。測(cè)量過(guò)程中，激 光光源101輸出功率Wtl，經(jīng)光纖準(zhǔn)直器104整形后，耦合到發(fā)射光纖101，功率W。ut ；帶測(cè)頭 微探針301與樣品表面以接觸式、非接觸式或輕敲等不同模式相互作用，三維掃描臺(tái)401帶 動(dòng)樣品在XOY水平面內(nèi)掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)，微探針3012與樣品表面的不同距離變化ΔΗ。其中，接觸模式(contact mode)掃描測(cè)量中，三維掃描臺(tái)401帶動(dòng)樣品在XOY水 平面內(nèi)掃描運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，保持微探針3012與樣品表面相接觸，在原子間排斥力和彈性微懸 臂3011彈性回復(fù)力作用下，微探針3012與樣品表面的不 同距離變化ΔΗ，使得微平板測(cè)頭 3013在垂直面內(nèi)產(chǎn)生位移ΔΖ，ΔΗ與Δ Z呈線性關(guān)系。非接觸式(non-contact mode)掃描測(cè)量中，微探針3012與樣品表面保持一定距 離(由于微探針與樣品沒(méi)有接觸，因此測(cè)量過(guò)程中樣品表面不會(huì)被損傷)，由于二者之間 長(zhǎng)距離原子吸引力的作用，微探針3012與樣品表面的不同距離變化ΔΗ，使得微平板測(cè)頭 3013在垂直面內(nèi)產(chǎn)生位移ΔΖ，ΔΗ與Δ Z呈非線性關(guān)系。輕敲式(tapping mode)掃描測(cè)量中，微探針3012在高頻壓電塊303的驅(qū)動(dòng)下以 一定的幅值和頻率正弦(或余弦)振動(dòng)，如按Asin(on)方式振動(dòng)，微探針3012與樣品表 面的不同距離變化ΔΗ，引起微探針3012的振動(dòng)幅值發(fā)生變化，由于原子力的作用，從而使 得微平板測(cè)頭3011在垂直面內(nèi)產(chǎn)生位移ΔΖ變化，ΔΗ與ΔΖ呈非線性關(guān)系。在接觸式、非接觸式或輕敲式的任意一種模式中，微平板測(cè)頭3011的垂直位移變 化ΔΖ，將引起接收光纖102接收功率變化AW，經(jīng)光電探測(cè)器105將光功率變化轉(zhuǎn)換為相 應(yīng)電壓變化Δυ。利用測(cè)量系統(tǒng)建立樣品表面與光纖傳感關(guān)系，結(jié)合XOY面內(nèi)壓電掃描，即 可實(shí)現(xiàn)樣品表面三維超精測(cè)量。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng)，其工作流 程如下步驟(1)，機(jī)械對(duì)接激光光源103與光纖準(zhǔn)直器104，并打開(kāi)激光光源103，先進(jìn)行 預(yù)熱；步驟(2)，分別將發(fā)射光纖101和接收光纖102固定于五維對(duì)準(zhǔn)臺(tái)201和光纖固定 架202上；步驟(3)，調(diào)整顯微攝像頭203的工作距離及放大倍數(shù)，使得發(fā)射光纖101和接收 光纖102的相對(duì)端面視場(chǎng)成像清晰；步驟(4)，精密調(diào)整五維對(duì)準(zhǔn)臺(tái)201，利用監(jiān)視器502顯示的顯微攝像頭203的視 覺(jué)反饋，使得發(fā)射光纖101右端面和接收光纖102左端面平行、中心同軸；步驟(5)，調(diào)整微懸臂探針單元300中彈性微懸臂3011的空間位置，其位于發(fā)射光 纖101和接收光纖102兩端面之間，且豎直方向上與兩端面平行；步驟(6)，進(jìn)一步調(diào)整彈性微懸臂3011在豎直方向的相對(duì)位置，使其頂端與光纖 軸心對(duì)齊，并作為其探測(cè)樣品表面的初始位置；步驟(7)，連接信號(hào)發(fā)生器302，控制輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)高頻壓電塊303帶動(dòng)微探針 3012振動(dòng)；步驟(8)，將樣品放置于三維掃描臺(tái)401上，調(diào)整樣品在豎直方向的位置，達(dá)到與彈性微懸臂3011相互作用狀態(tài)；步驟(9)，記錄當(dāng)前位置點(diǎn)由光纖位移傳感反饋的樣品表面高度信息；步驟(10)，連接高壓穩(wěn)壓源402，輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)三維掃描臺(tái)401在XOY平面 內(nèi)掃描；步驟(11)，利用XOY平面內(nèi)掃描位置數(shù)據(jù)、光纖位移傳感反饋的表面高度信息和 接收到的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)超精表面三維測(cè)量。在具體實(shí)施例，所述測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)單元可選擇如下配置(1)激光光源選擇綠光，輸出功率500mW ；光電探測(cè)器選用Model 840型光功率計(jì)， 最高分辨率達(dá)IOpW ；(2)發(fā)射光纖和接收光纖選擇帶接頭和尾纖的62 μ m纖芯的多模光纖；(3)微探針選擇 VEECO 公司的 MAD0TR4-10 型，材料氮化硅(SiliconNitride)； 彈性系數(shù)0. 06 0. 58N/m，針尖半徑(Tip Radius) :10nm，針尖高度(Tip Height) :2 3. 5 μ m ；(4)顯微攝像頭參數(shù)——圖像分辨率1600X1200 ；鏡頭Dual Axis 27X和 100X ；聚焦范圍10mm到無(wú)窮遠(yuǎn)(infinity)，手動(dòng)方式；幀頻做大為30f/s ；放大倍數(shù) 20 X 到 200 X。按照以上配置，該測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)可達(dá)(1)檢測(cè)范圍<50μπι;(2)檢測(cè)靈敏度2nm/lnW。即，當(dāng)樣品表面的高度變化2nm時(shí)，光功率的變化為 InW。本發(fā)明實(shí)施例提出的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍可達(dá)幾十微米，并且可實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的 納米量級(jí)分辨率。參照?qǐng)D3，示出了本發(fā)明一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量方法實(shí)施例的流 程圖，包括步驟31，依據(jù)系統(tǒng)控制單元的監(jiān)視，通過(guò)光纖對(duì)準(zhǔn)單元對(duì)發(fā)射光纖和接收光纖進(jìn) 行軸對(duì)準(zhǔn)；步驟32，依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制，使樣品做三維移動(dòng)掃描；同時(shí)通過(guò)微懸臂探 針單元改變彈性微懸臂的位置或彈性形變，調(diào)整微探針在樣品表面上的位置，并帶動(dòng)微平 板測(cè)頭產(chǎn)生垂直位移，改變?nèi)肷涞浇邮展饫w的光功率；步驟33，通過(guò)光纖位移傳感單元檢測(cè)發(fā)射光纖入射到接收光纖的光功率，并將所 述光功率轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入到系統(tǒng)控制單元；步驟34，在系統(tǒng)控制單元中對(duì)接收到的電信號(hào)和微探針在樣品表面上的位置進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理，獲得樣品的表面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述測(cè)量方法的工作模式包括接觸式、非接觸式和輕敲 式。本說(shuō)明書(shū)中的各個(gè)實(shí)施例各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見(jiàn)即可。對(duì)于方法實(shí)施例而言，由于其與系統(tǒng)實(shí)施例基本相似，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見(jiàn)系統(tǒng)實(shí) 施例的部分說(shuō)明即可。以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法，進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí) 施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù) 人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范 圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō) 明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括光纖位移傳感單元，包括發(fā)射光纖和接收光纖，用于檢測(cè)發(fā)射光纖入射到接收光纖的光功率，并將所述光功率轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入到系統(tǒng)控制單元；光纖對(duì)準(zhǔn)單元，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的監(jiān)視對(duì)發(fā)射光纖和接收光纖進(jìn)行軸對(duì)準(zhǔn)；微懸臂探針單元，包括帶測(cè)頭微探針，所述帶測(cè)頭微探針包括彈性微懸臂、分別與彈性微懸臂的一端垂直連接的微平板測(cè)頭和微探針，所述微平板測(cè)頭位于發(fā)射光纖和接收光纖之間；所述微懸臂探針單元用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制，通過(guò)改變彈性微懸臂的位置或彈性形變，調(diào)整微探針在樣品表面上的位置，并帶動(dòng)微平板測(cè)頭產(chǎn)生垂直位移，改變?nèi)肷涞浇邮展饫w的光功率；三維掃描單元，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制，使樣品做三維移動(dòng)掃描；系統(tǒng)控制單元，用于對(duì)光纖對(duì)準(zhǔn)單元的軸對(duì)準(zhǔn)操作、微探針和三維掃描單元的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)視或控制，并對(duì)接收到的電信號(hào)和微探針在樣品表面上的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得樣品的表面結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖位移傳感單元還包括 激光光源，用于輸出光；光纖準(zhǔn)直器，用于通過(guò)對(duì)激光光源輸出的光束進(jìn)行整形，耦合到發(fā)射光纖中； 光電探測(cè)器，用于通過(guò)對(duì)接收光纖輸出的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓； A/D采集卡，用于采集光電探測(cè)器輸出的電壓，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將得到的電信號(hào)輸入到 系統(tǒng)控制單元。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖對(duì)準(zhǔn)單元包括五維對(duì)準(zhǔn)臺(tái)，用于固定光纖位移傳感單元的發(fā)射光纖，以及通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射光纖的出光 端面的位置對(duì)發(fā)射光纖和接收光纖進(jìn)行軸對(duì)準(zhǔn)；光纖固定架，用于固定光纖位移傳感單元的接收光纖； 顯微攝像頭，用于對(duì)發(fā)射光纖的出光端面和接收光纖的入光端面進(jìn)行拍攝； 視頻采集卡，用于采集顯微攝像頭拍攝到的視頻信號(hào)，并將所述視頻信號(hào)傳輸至系統(tǒng) 控制單元。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微懸臂探針單元還包括 信號(hào)發(fā)生器，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制，向高頻壓電塊輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；高頻壓電塊，用于根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生伸縮位移或者按照預(yù)置頻率、幅值進(jìn)行振動(dòng)；則所述彈性微懸臂的另一端固定于高頻壓電塊上，彈性微懸臂依據(jù)高頻壓電塊的運(yùn)動(dòng) 帶動(dòng)微探針產(chǎn)生垂直位移。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述彈性微懸臂根據(jù)微探針的垂直位移帶動(dòng)微平板測(cè)頭相對(duì)于發(fā)射光纖的出光端面 和接收光纖的入光端面進(jìn)行無(wú)接觸垂直移動(dòng)；所述微平板測(cè)頭的頂端的初始位置位于發(fā)射光纖和接收光纖的軸線上。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述三維掃描單元包括三維掃描臺(tái)，用于固定待測(cè)量樣品，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓帶動(dòng)樣品在空間X、Y、Z三個(gè)方向 做平移掃描；高壓穩(wěn)壓源，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制向三維掃描臺(tái)輸出驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)三維掃 描臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)控制單元包括系統(tǒng)控制接口，用于向信號(hào)發(fā)生器和高壓穩(wěn)壓源輸出工控機(jī)的控制信號(hào)，以及接收A/D 采集卡的電信號(hào)和視頻采集卡的視頻信號(hào)；監(jiān)視器，用于對(duì)發(fā)射光纖的出光端面和接收光纖的入光端面進(jìn)行可視化監(jiān)視；工控機(jī)，用于產(chǎn)生控制信號(hào)，以及對(duì)接收到的電信號(hào)、微探針產(chǎn)生的垂直位移和樣品的 平面掃描位置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得樣品的表面結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量系統(tǒng)的工作模式包括接觸式、非接觸式和輕敲式。
9.一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量方法，其特征在于，包括依據(jù)系統(tǒng)控制單元的監(jiān)視，通過(guò)光纖對(duì)準(zhǔn)單元對(duì)發(fā)射光纖和接收光纖進(jìn)行軸對(duì)準(zhǔn)；依據(jù)系統(tǒng)控制單元的控制，使樣品做三維移動(dòng)掃描；同時(shí)通過(guò)微懸臂探針單元調(diào)整彈 性微懸臂的位置，改變微探針在樣品表面上的位置，并帶動(dòng)微平板測(cè)頭產(chǎn)生垂直位移，改變 入射到接收光纖的光功率；通過(guò)光纖位移傳感單元檢測(cè)發(fā)射光纖入射到接收光纖的光功率，并將所述光功率轉(zhuǎn)換 成電信號(hào)輸入到系統(tǒng)控制單元；在系統(tǒng)控制單元中對(duì)接收到的電信號(hào)和微探針在樣品表面上的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲 得樣品的表面結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述測(cè)量方法的工作模式包括接觸式、非接觸式和輕敲式。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于光纖傳感的掃描探針表面測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法，所述系統(tǒng)包括光纖位移傳感單元，用于檢測(cè)發(fā)射光纖入射到接收光纖的光功率，將光功率轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入系統(tǒng)控制單元；光纖對(duì)準(zhǔn)單元；微懸臂探針單元，用于通過(guò)改變彈性微懸臂的位置或彈性形變，調(diào)整微探針在樣品表面上的位置，并帶動(dòng)微平板測(cè)頭產(chǎn)生垂直位移，改變?nèi)肷涞浇邮展饫w的光功率；三維掃描單元，用于使樣品做三維移動(dòng)掃描；系統(tǒng)控制單元，用于對(duì)上述單元的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)視或控制，并對(duì)接收到的電信號(hào)和微探針在樣品表面上的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得樣品的表面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光學(xué)器件少、穩(wěn)定性好；可以實(shí)現(xiàn)高分辨率、大范圍超精表面的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101833018SQ20101018500
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者李玉和, 祁鑫, 胡小根, 魏瓊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)