[發(fā)明專利]一種用于微位移平臺的納米定位控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010435495.6
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111879242B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊志韜;宋顯華
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06;G01B11/02;G01N21/552
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務(wù)所(普通合伙) 23209
• 代理人: 榮玲

本發(fā)明涉及一種用于微位移平臺的納米定位控制系統(tǒng)。將掃描探頭和掃描平臺在控制器控制下向待測材料表面移動到1微米以內(nèi)時，定位傳感器的SPR信號將發(fā)生變化，通過SPR信號實時計算兩個平面之間的距離d,當(dāng)d達(dá)到掃描距離要求時，傳感器發(fā)出反饋信號，反饋信號傳給上位機(jī)，上位機(jī)再將信號傳給控制器，此信號控制掃描平臺停止移動，從而實現(xiàn)根據(jù)掃描探頭到待測材料表面之間的距離進(jìn)行的納米定位的目的。本發(fā)明可實掃描探頭與待測材料之間距離的納米級定位閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)掃描探頭的非接觸式掃描測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米定位技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于微位移平臺的納米定位控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

納米定位技術(shù)是前沿科學(xué)，廣泛應(yīng)用于超精加工、微電子工程、生物工程、納米技術(shù)，在工程技術(shù)領(lǐng)域中是關(guān)鍵技術(shù)之一。對于納米定位與掃描平臺控制系統(tǒng)而言，由于其本身固有的遲滯性、蠕變性、負(fù)載性而且定位分辨力和定位精度都比較低，這都將直接影響掃描平臺的納米定位精度。以往主要是通過各種算法對掃描平臺來實現(xiàn)前饋、反饋及混合方式的納米位移控制。但在實際的非接觸式測量中，常常需要掃描探頭與待測材料表面之間距離保持在幾十至幾百納米級別范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)的位移控制方法很難實現(xiàn)依據(jù)掃描探頭到待測物體表面的距離進(jìn)行定位控制。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有納米定位技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種用于微位移平臺的納米定位控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在幾百納米范圍內(nèi)根據(jù)掃描探頭與待測物體表面的距離進(jìn)行定位控制。

一種用于微位移平臺的納米定位控制系統(tǒng)，包括SPR定位傳感器、掃描探頭、掃描平臺、控制器和上位機(jī)，所述SPR定位傳感器與掃描探頭裝配在一起，SPR定位傳感器通過信號線與上位機(jī)建立連接，掃描探頭固定在掃描平臺上，掃描平臺與控制器建立信號傳輸實現(xiàn)控制掃描平臺的移動，控制器與上位機(jī)連接，整個系統(tǒng)構(gòu)成納米定位的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在整個系統(tǒng)實施過程中，采用了表面等離子共振(SPR)技術(shù)進(jìn)行納米定位傳感。SPR是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)入射光波矢量與棱鏡表面的金屬鍍膜(金或銀)的表面等離子體波(SPW)波矢量相匹配時，反射光強(qiáng)度會突然減小。本發(fā)明是將掃描探頭與待測材料表面之間的空氣層看作SPR結(jié)構(gòu)中的一個膜層，SPR現(xiàn)象對薄膜厚度非常敏感，當(dāng)膜層厚度在幾百納米范圍內(nèi)，對膜層厚度變化靈敏度可達(dá)納米級別，利用這一特性，可以實時監(jiān)測計算這一膜層的厚度，在掃描探頭移動接近待測材料表面過程中，當(dāng)這一厚度達(dá)到檢測距離要求時，產(chǎn)生反饋信號并傳回控制器，控制掃描平臺停止繼續(xù)移動，實現(xiàn)依據(jù)探頭與待測材料表面間距離進(jìn)行納米精確定位。

優(yōu)選的：所述SPR定位傳感器包括光源、棱鏡、金屬薄膜和光強(qiáng)接收器，棱鏡的工作面鍍有金屬薄膜，光源發(fā)出激光經(jīng)棱鏡入射至金屬薄膜上，金屬薄膜反射光源發(fā)出的激光并由光強(qiáng)接收器接收。

優(yōu)選的：所述金屬薄膜為金膜或銀膜，因為表面等離子體現(xiàn)象是光經(jīng)過玻璃后在貴金屬(金，銀，銅或鋁)表面才能產(chǎn)生，其中金膜或銀膜效果最佳。

優(yōu)選的：所述光源發(fā)出的激光入射到金屬薄膜上的入射角度范圍為：10-50°。

優(yōu)選的：所述金屬薄膜選用金膜時最佳厚度約為50nm,選用銀膜時最佳厚度約為40nm,選用其它薄膜也都在100nm以內(nèi)。

優(yōu)選的：所述SPR定位傳感器的探測表面與掃描探頭掃描平面共面。

一種用于微位移平臺的納米定位控制系統(tǒng)，包括以下步驟：

步驟一：將SPR定位傳感器與掃描探頭裝配在一起，保證SPR定位傳感器表面與掃描探頭掃描平面共面，SPR定位傳感器與掃描探頭共面是為了更好地利用納米定位技術(shù)測量掃描探頭與待測物體表面之間的距離，然后再將SPR定位傳感器與上位機(jī)連接，掃描探頭與掃描平臺連接，并與掃描平臺控制器連接，控制器與上位機(jī)連接；