專利名稱：一種基于光纖干涉原理的納米測量機(jī)測頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及基于光纖干涉原理的納米測量機(jī)測頭，屬于納米測量機(jī)研究和應(yīng)用 領(lǐng)域。主要應(yīng)用于作為大范圍掃描的納米測量機(jī)的傳感器，該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)納米測量 機(jī)大掃描范圍的定位作用。
背景技術(shù)：
隨著納米技術(shù)的發(fā)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(shù)的出現(xiàn)適應(yīng)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pm，這大 大限制了掃描探針技術(shù)的應(yīng)用范圍。德國Ilmenau技術(shù)大學(xué)的過程測量和傳感技術(shù)研究所 和SIOS公司利用微型激光干涉儀實現(xiàn)了一種高精度大范圍的定位測量儀器——納米測 量機(jī)(NMM)，通過配合不同類型的傳感測頭，實現(xiàn)不同方式的測量。
目前，國外在納米測量方法、儀器和系統(tǒng)的開發(fā)及校準(zhǔn)方面均走在了國內(nèi)前面?，F(xiàn) 有的商業(yè)化原子力測頭均為國外所有，而直接從國外進(jìn)口標(biāo)定完成的測頭不僅很難跟現(xiàn) 有的納米測量機(jī)相結(jié)合，而且測試校準(zhǔn)的費(fèi)用也是很貴的。因此，需要開發(fā)具備自主知 識產(chǎn)權(quán)的測頭測試和校準(zhǔn)系統(tǒng)。

實用新型內(nèi)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(jī)測頭，為研究納米 測量機(jī)在大范圍實現(xiàn)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(xiàn)的 一種基于光纖干涉原理的納米測量機(jī)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(gòu)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(shè)置有彈簧夾、凹槽、螺紋孔和窗口，探針置于凹 槽內(nèi)，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(shè)在在一條光路，激光光源發(fā)射的激光經(jīng)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(jīng)過分束鏡后與先前的反射光束相干涉，千涉信號經(jīng)過光纖輸出后通 過光電二極管轉(zhuǎn)換，進(jìn)入后續(xù)處理電路進(jìn)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(jī)系統(tǒng)，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(jī)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(jī)實現(xiàn)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(jié)構(gòu)；特有的探針夾持器，
可以使用實驗室現(xiàn)有的探針；放大電路中選用了美信新出產(chǎn)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(zhuǎn)換為電壓，提高了電路的性能。


圖1是本實用新型基于光纖千涉的方法的納米測量機(jī)測頭的探針夾持器結(jié)構(gòu)； 圖2是本實用新型基于光纖干涉的方法的納米測量機(jī)測頭的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)的測頭的光路圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步詳述。
參見圖，基于光纖干涉的方法的納米測量機(jī)測頭的探針夾持器4的結(jié)構(gòu)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(shè)一個窗口，用來放置分束鏡。整個測頭的
結(jié)構(gòu)如圖2所示。探針夾持器4固定在測頭內(nèi)的壓電掃描管5的底端。光纖7設(shè)置在壓 電掃描管5內(nèi)。由光纖7和分束鏡3構(gòu)成斐索千涉儀。
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(jìn)行檢測(如圖3所示)，其過程是由激光器發(fā)出的激光 束a經(jīng)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(jīng)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(zhuǎn)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(huán)境的影響，因此，需要設(shè)計 專用的信號采集電路，主要包括信號調(diào)理，信號采集、處理，與上位機(jī)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(zhuǎn)換為可被后續(xù)電路處理的電壓 信號。整個電路處理系統(tǒng)以DSP為核心，放大轉(zhuǎn)換后的電流信號可進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換或者將 某一固定位移下的輸出電壓反饋給納米測量機(jī)控制單元;轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可存放在外部RAM 中，系統(tǒng)通過RS232串口將采集到的數(shù)據(jù)傳往計算機(jī)，通過計算機(jī)校準(zhǔn)和測量軟件可以 對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理和保存。
權(quán)利要求1、一種基于光纖干涉原理的納米測量機(jī)測頭，包括壓電掃描管、探針夾持器、懸臂梁探針、由分束鏡和光纖構(gòu)成的斐索干涉儀及后續(xù)處理電路，其特征在于，探針夾持器固定在壓電掃描管的底端，其上設(shè)置有彈簧夾、凹槽、螺紋孔和窗口，探針置于凹槽內(nèi)，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(shè)在在一條光路，激光光源發(fā)射的激光經(jīng)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(jīng)過分束鏡后與先前的反射光束相干涉，干涉信號經(jīng)過光纖輸出，經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換后進(jìn)入后續(xù)處理電路。
專利摘要本實用新型涉及基于光纖干涉原理的納米測量機(jī)測頭，該測頭包括接觸模式的懸臂梁探針，探針夾持器，基于光纖和分束鏡的斐索干涉儀。該系統(tǒng)作為納米測量機(jī)的傳感器，感測樣品表面的形貌，該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)納米測量機(jī)大范圍掃描的定位作用，并可將位移信號傳輸給納米測量機(jī)。本實用新型與現(xiàn)有其他測頭的不同之處在于選用光纖傳光從而簡化干涉儀的結(jié)構(gòu)；特有的探針夾持器，可以使用實驗室現(xiàn)有的探針；放大電路中選用了美信新出產(chǎn)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(zhuǎn)換為電壓，提高了電路的性能。在光電轉(zhuǎn)換中使用了提供的光纖干涉原理的納米測量機(jī)測頭用于研究不同樣品的納米測量機(jī)的掃描。具有掃描范圍大、精度高等特點。
文檔編號G01B11/02GK201066273SQ20072009625
公開日2008年5月28日 申請日期2007年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月5日
發(fā)明者丁麗麗, 星 傅, 李艷寧, 胡小唐, 彤 郭 申請人:天津大學(xué)