[發(fā)明專利]一種基于光纖傳感的掃描探針表面測量系統(tǒng)和測量方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010185004.3
• 申請日: 2010-05-21
• 公開（公告）號: CN101833018A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發(fā)明（設計）人: 李玉和;胡小根;祁鑫;魏瓊
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01Q10/00
• 分類號: G01Q10/00;G01B11/00
• 代理公司: 北京潤澤恒知識產(chǎn)權代理有限公司 11319
• 代理人: 蘇培華

1.一種基于光纖傳感的掃描探針表面測量系統(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，用于檢測發(fā)射光纖入射到接收光纖的光功率，并將所述光功率轉換成電信號輸入到系統(tǒng)控制單元；

光纖對準單元，用于依據(jù)系統(tǒng)控制單元的監(jiān)視對發(fā)射光纖和接收光纖進行軸對準；

微懸臂探針單元，包括帶測頭微探針，所述帶測頭微探針包括：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頭和微探針，所述微平板測頭位于發(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，通過改變彈性微懸臂的位置或彈性形變，調整微探針在樣品表面上的位置，并帶動微平板測頭產(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，使樣品做三維移動掃描；

系統(tǒng)控制單元，用于對光纖對準單元的軸對準操作、微探針和三維掃描單元的運動進行監(jiān)視或控制，并對接收到的電信號和微探針在樣品表面上的位置進行數(shù)據(jù)處理，獲得樣品的表面結構。

2.如權利要求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；

光纖準直器，用于通過對激光光源輸出的光束進行整形，耦合到發(fā)射光纖中；

光電探測器，用于通過對接收光纖輸出的光進行光電轉換，產(chǎn)生相應的電壓；

A/D采集卡，用于采集光電探測器輸出的電壓，并通過A/D轉換將得到的電信號輸入到系統(tǒng)控制單元。

3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖對準單元包括：

五維對準臺，用于固定光纖位移傳感單元的發(fā)射光纖，以及通過調節(jié)發(fā)射光纖的出光端面的位置對發(fā)射光纖和接收光纖進行軸對準；

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，用于對發(fā)射光纖的出光端面和接收光纖的入光端面進行拍攝；

視頻采集卡，用于采集顯微攝像頭拍攝到的視頻信號，并將所述視頻信號傳輸至系統(tǒng)控制單元。

4.如權利要求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動信號；

高頻壓電塊，用于根據(jù)所述驅動信號產(chǎn)生伸縮位移或者按照預置頻率、幅值進行振動；

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)高頻壓電塊的運動帶動微探針產(chǎn)生垂直位移。

5.如權利要求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微平板測頭相對于發(fā)射光纖的出光端面和接收光纖的入光端面進行無接觸垂直移動；

所述微平板測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，用于固定待測量樣品，并根據(jù)驅動電壓帶動樣品在空間X、Y、Z三個方向做平移掃描；

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輸出驅動電壓，驅動三維掃描臺進行運動。

7.如權利要求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，用于向信號發(fā)生器和高壓穩(wěn)壓源輸出工控機的控制信號，以及接收A/D采集卡的電信號和視頻采集卡的視頻信號；

監(jiān)視器，用于對發(fā)射光纖的出光端面和接收光纖的入光端面進行可視化監(jiān)視；

工控機，用于產(chǎn)生控制信號，以及對接收到的電信號、微探針產(chǎn)生的垂直位移和樣品的平面掃描位置進行數(shù)據(jù)處理，獲得樣品的表面結構。

8.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，

所述測量系統(tǒng)的工作模式包括：接觸式、非接觸式和輕敲式。