[實用新型]納米級微位移光杠桿激光測量系統

無效

• 申請號: 201020665719.4
• 申請日: 2010-12-17
• 公開（公告）號: CN201903326U
• 公開（公告）日: 2011-07-20
• 發明（設計）人: 劉曉旻;李蘇貴
• 申請（專利權）人: 劉曉旻;李蘇貴
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 鄭州中原專利事務所有限公司 41109
• 代理人: 霍彥偉;李想

技術領域

本實用新型涉及一種納米級微位移光杠桿激光測量系統。

背景技術

加速度計通過檢測質量塊相對殼體的位移量來測量輸入的加速度的值，所以位移測量系統的測量精度是決定加速度計靈敏度的關鍵因素之一。加速度計的應用市場非常廣闊，吸引了眾多研究機構參與其中，有相當多的人力物力投入在新型加速度計的研究中。

雙材料微懸臂梁探測器，它利用的是機械力學性質原理探測紅外輻射，20世紀90年代末開始出現。其工作原理是：兩種膨脹系數相差較大的材料，當溫度升高時兩種材料之間產生大的應力差，使得微懸臂梁發生形變，可用電容、光學、壓阻或電子隧穿等極高靈敏度方法讀出，并與常規電路如CMOS和CCD100%兼容。

目前，光學讀出已經開始成為新型非制冷太赫茲、紅外探測器的關鍵技術之一，原因在于光學讀出是非接觸式的，無需電學連接，因此降低了電噪聲，也使得噪聲等效溫差降低。其原理是：用一束激光照射在IRFPA探測器上，當IRFPA探測器吸收紅外輻射時，其溫度發生變化從而引起形變，則激光束在探測器上的位置發生移動，反射的激光再落到CCD或CMOS相機上被讀出，從而探測到紅外信號。光學讀出可使器件體積更小、攜帶更方便，因此具有光學讀出方式的微懸臂梁非制冷探測器是非制冷探測器的一個重要發展方向。美國OakRidge國家實驗室和田納西州大學設計的雙材料微懸臂梁探測器FPA為256×256元SiN／Al，就采用兩種非接觸光學方式讀取信號。

微位移測量在測量技術中，通過檢測位移量，可以測量振動、壓力、應變、加速度和流量等多種物理量。在精密、超精密及微細加工技術中，位移量的精密測量是加工技術的重要基礎，現代精密加工技術已經進入納米技術時代，研究并開發相應的測量技術已成為當務之急。

依據測量原理不同,當今nm級位移測量技術可分為3大類：電學測量、顯微鏡測量和光學測量。電學測量中，電容法精度高，然而易受溫度影響存在非線性問題，所需信號處理電路復雜；電感法結構抗電磁干擾性差。顯微鏡測量是新興的技術，其精度高，但是探針在測量過程中易折斷，探針制備技術、測量條件要求高。光學測量有X射線干涉法、激光頻率法、外差激光干涉法和零差激光干涉法等。Put-man等從理論上證明，光杠桿方法的分辨率能達到10^-12m，且結構簡單，不需要參考光束，因而在空氣中具有高靈敏度、抗空氣擾動。

太赫茲波(THz?Wave)，是指頻率在0．1～10THz范圍內的電磁波，其波段位于電磁波譜中毫米波和遠紅外光之間，是光子學技術與電子學技術、宏觀與微觀的過渡區域。雖然早在上世紀20年代就有人對太赫茲輻射產生了濃厚的興趣，但其產生和探測技術與十分成熟的微波、光學技術相比仍然十分落后，苦于未能找到具有高能量、高效率、低造價、且能在室溫下穩定運轉的太赫茲波輻射源，所以在上世紀80年代中期以前，人們對這個頻段的電磁波特性知之甚少，形成了遠紅外線和毫米波之間所謂的“太赫茲空隙”。由于物質在太赫茲波頻段的發射、反射和透射光譜中包含有豐富的物理和化學信息，并且太赫茲波輻射源與傳統光源相比，具有相干性、低能性、高穿透性等獨特、優異的特性，與太赫茲輻射相關的太赫茲波技術逐漸成為國際研究的熱點。它在物理、化學、天文學、生命科學和醫藥科學等基礎研究領域，以及安全檢查、醫學成像、環境監測、食品檢驗、射電天文、衛星通信和武器制導等應用研究領域均具有巨大的科學研究價值和廣闊的應用前景。目前，包括美國、西歐和日本等發達國家在內的世界各國都對太赫茲波技術的研究給予高度的重視，投入了大量的人力和物力，陸續開展了與各自領域相關的太赫茲波技術的研究。研制出高靈敏度、高分辨率且能在室溫下穩定運轉太赫茲探測器，并能將其方便、靈活地運用于科研工作和實際生活中，已經成為21世紀科研工作者追求的目標和迫切需要解決的實際問題。

另外，非致冷太赫茲成像技術和紅外成像技術近年來得到了越來越多的關注。雙材料微梁陣列組成的紅外焦平面陣列(FPA)構成了光機械式非致冷紅外探測器的核心，吸收的紅外幅射引起微梁溫度變化，由于雙材料熱膨脹系數的不同導致微梁的相應偏轉。這個偏轉變形可以通過電容，壓阻，光學等方式讀出。在這些方法中，光學方法不需要在每個像素上制作微電子電路，從而比電學讀出方式有更好的熱隔離效果，更低的熱噪聲和更簡單的微制作工藝。

光機械式紅外探測器中目前使用的光學讀出系統有以下幾種：