[實用新型]一種基于光纖干涉原理的納米測量機測頭

無效

• 申請號: 200720096252.4
• 申請日: 2007-06-05
• 公開（公告）號: CN201066273Y
• 公開（公告）日: 2008-05-28
• 發明（設計）人: 李艷寧;丁麗麗;郭彤;傅星;胡小唐
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 江鎮華

技術領域

本實用新型涉及基于光纖干涉原理的納米測量機測頭，屬于納米測量機研究和應用領域。主要應用于作為大范圍掃描的納米測量機的傳感器，該系統還可以實現納米測量機大掃描范圍的定位作用。

背景技術

隨著納米技術的發展，人們越來越需要測量和操縱很小的部件。以掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)為代表的掃描探針技術的出現適應了這個要求。但是，由于壓電陶瓷自身特性的限制，使得儀器的掃描范圍不能做的很大，最大不過幾百μm，這大大限制了掃描探針技術的應用范圍。德國Ilmenau技術大學的過程測量和傳感技術研究所和SIOS公司利用微型激光干涉儀實現了一種高精度大范圍的定位測量儀器——納米測量機(NMM)，通過配合不同類型的傳感測頭，實現不同方式的測量。

目前，國外在納米測量方法、儀器和系統的開發及校準方面均走在了國內前面。現有的商業化原子力測頭均為國外所有，而直接從國外進口標定完成的測頭不僅很難跟現有的納米測量機相結合，而且測試校準的費用也是很貴的。因此，需要開發具備自主知識產權的測頭測試和校準系統。

實用新型內容

本實用新型的目的在于提供一種帶有探針夾持器的的納米測量機測頭，為研究納米測量機在大范圍實現掃描提供傳感信號和開始掃描時的定位信號。

本實用新型的目的是這樣實現的：一種基于光纖干涉原理的納米測量機測頭，包括壓電掃描管、探針夾持器、懸臂梁探針以及由分束鏡和光纖構成的斐索干涉儀，探針夾持器固定在壓電掃描管的底端，其上設置有彈簧夾、凹槽、螺紋孔和窗口，探針置于凹槽內，彈簧夾的一端通過螺紋孔固定在探針夾持器上，另一端夾持探針，分束鏡固定在窗口上，光纖、分束鏡、探針表面依次設在在一條光路，激光光源發射的激光經過光纖傳輸、打在分束鏡后，分為反射光束和透射光束，透射光束打在微懸臂梁背面的反射表面上后反射的光束經過分束鏡后與先前的反射光束相干涉，干涉信號經過光纖輸出后通過光電二極管轉換，進入后續處理電路進行信號采集，從而獲得樣品表面的形貌信息。

采用本實用新型的納米測量機系統，由于測頭只作為零點傳感器，光信號精度高的特點為納米測量機提供了高精度的樣品表面形貌特征信號，從而使得納米測量機實現了大范圍、高精度的掃描，而選用光纖傳光從而簡化干涉儀的結構；特有的探針夾持器，可以使用實驗室現有的探針；放大電路中選用了美信新出產的放大芯片，專門用于放大光電二極管輸出的電流，并將其轉換為電壓，提高了電路的性能。

附圖說明

圖1是本實用新型基于光纖干涉的方法的納米測量機測頭的探針夾持器結構；

圖2是本實用新型基于光纖干涉的方法的納米測量機測頭的系統結構框圖；

圖3是本實用新型基于光纖干涉的方法的納米測量機的測頭的光路圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步詳述。

參見圖，基于光纖干涉的方法的納米測量機測頭的探針夾持器4的結構如圖1所示。圖1中1為固定彈簧夾的螺紋孔，2處為一凹槽，用于放置探針；彈簧夾的一端被用螺母固定在1處，另一端在2處夾持探針；3處開設一個窗口，用來放置分束鏡。整個測頭的結構如圖2所示。探針夾持器4固定在測頭內的壓電掃描管5的底端。光纖7設置在壓電掃描管5內。由光纖7和分束鏡3構成斐索干涉儀。

AFM探針在掃描過程中由于受力變化引起的懸臂梁探針的角度變化，即位移變化。采用光纖干涉法對這一位移信號進行檢測(如圖3所示)，其過程是由激光器發出的激光束a經光纖7傳輸，打在分束鏡3上，分為反射光束a’和透射光束b。光束b打在探針表面(也可稱為微懸臂梁背面)6的反射表面上，反射光束b’經過分束鏡3后與先前的反射光束a’相干涉。微懸臂梁隨著樣品表面的凹凸而偏離，檢測干涉信號的變化，表征探針位移的干涉信號被輸出光纖7接收通過光電二極管將光信號轉換成電流信號，

光電二極管輸出的電流信號非常微弱，容易受到周圍環境的影響，因此，需要設計專用的信號采集電路，主要包括信號調理，信號采集、處理，與上位機通訊等部分。放大電路部分主要采用了放大芯片OPA380將光電流放大轉換為可被后續電路處理的電壓信號。整個電路處理系統以DSP為核心，放大轉換后的電流信號可進入模數轉換或者將某一固定位移下的輸出電壓反饋給納米測量機控制單元；轉換后的數據可存放在外部RAM中，系統通過RS232串口將采集到的數據傳往計算機，通過計算機校準和測量軟件可以對數據進行自動處理和保存。