CN203310858U - 基于探测具有纳米级表面微结构的参考模型的测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于探测具有纳米级表面微结构的参考模型的测量系统，实现纳米加工与制造中运动部件的精确定位。包括具有纳米级表面微结构的参考模型、测量探头、反馈电路、压电陶瓷管、压电陶瓷管Z向电压处理模块和结果显示模块。其特征是系统工作时，扫描探针对参考模型进行扫描，探头利用光杠杆原理检测到探针振幅的变化后，通过反馈电路发出反馈信号，使承载参考模型的压电陶瓷管的Z向电压随之变化，以保证探针振幅的恒定，不断变化的压电陶瓷管Z向电压反映了参考模型的形貌，利用压电陶瓷管Z向电压处理模块对其进行处理，并将测量结果通过结果显示模块显示出来，由于利用到了内插技术，可得到更高分辨率和精度的测量结果，可广泛应用于纳米级、甚至亚纳米级的测量及定位。
Description
技术领域
本实用新型是一种基于探测具有纳米级表面微结构的参考模型的测量系统，实现纳米加工与制造中运动部件的精确定位。本实用新型能够实现纳米级、甚至亚纳米级的测量，可用在装配工程中的微纳米操作，微纳米系统的组装和制作，还可用于改善压电陶瓷扫描装置的非线性和迟滞性。
技术背景
目前，超微加工和超微操作已进入了纳米技术的新时代，对微小位移量及微小物体几何形状测量的要求已不再局限于微米、亚微米量级，而是达到了纳米、亚纳米量级。纳米制造是近年来新兴的技术领域，其核心技术是微纳米尺度下的可观测性和可操控性。由于微纳米操作系统通常采用PZT等压电材料构成驱动器，其固有的非线性和迟滞等效应为工具和样品的精确定位与操纵控制带来了很大困难。
在很多应用中，扫描探针既是成像器件，也是操纵装置。探针可以在XYZ方向上移动。垂直位移可以由一个反馈环路精确控制。然而，纳米级的XY方向上的移动主要是开环的。精确的水平移动依赖于压电驱动装置的校准，在校准的过程中经常会遇到很多问题，例如蠕变和迟滞。另外，仪器的热漂移是非常明显的，室温下，每秒钟原子尺寸的漂移很普遍。在很低的温度(4K)下操纵探针，其热漂移可以忽略不计。然而，这需要复杂的技术，是使用者所不希望的。因此，在室温下操作，必须考虑漂移、蠕变和迟滞。
目前应用最多的纳米计量方法是利用精密位移传感器来准确测量出物体在XYZ方向上的位移值。通常所用的传感器有电容式位移传感器、激光干涉仪、光栅尺等。前一种易实现微型化，但测量范围有限，测量分辨力与测量范围有关，稳定性较差，对电子噪声等极其敏感，而且还存在一定的非线性；后两种理论上的测量精度和分辨率都较高，但在实际应用中受多种因素和噪声干扰的影响，难以实现高精度的在线测量，并且系统相对复杂，造价昂贵，安装定位也有较高的要求。本实用新型可以实现纳米级、甚至亚纳米级的测量，系统结构也比较简单，成本低廉。
技术参考
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实用新型内容
现有的微纳米级测量装置，理论上的测量精度和分辨率都较高，但在实际应用中受多种因素和噪声干扰的影响，难以实现高精度的在线测量，并且系统相对复杂，造价昂贵，为了克服上述不足，本实用新型提供一种基于探测具有纳米级表面微结构的参考模型的测量系统。系统不仅结构简单，可靠性高，受外界环境和噪声影响小，而且工作过程与纳米成像和操纵过程是同步进行的，更好地保证了测量和反馈的实时性。
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足而提供一种可实现纳米加工与制造中运动部件精确定位的测量系统。
本实用新型可通过以下技术措施实现：
基于探测具有纳米级表面微结构的参考模型的测量系统，包括具有纳米级表面微结构的参考模型、测量探头、反馈电路、三维微位移平台驱动器、三维微位移平台、三维微位移平台Z向电压处理模块和结果显示模块。所述的测量探头包括扫描探针、起振模块、焦距可调激光器和光电四象限探测器。扫描探针无针尖的一端固定在起振模块上，带有针尖的一端悬空且针尖位于焦距可调激光器中光束准直聚焦透镜组的焦点处，起振模块固定在测量探头中。所述的焦距可调激光器包括激光源和光束准直聚焦透镜组，光束准直聚焦透镜组固定在激光源的前端，焦距可调激光器固定在测量探头的左上方，光电四象限探测器固定在测量探头的右上方，激光源发出的激光束通过准直聚焦透镜组的中心，聚焦在扫描探针针尖的背面，扫描探针针尖的背部是光滑的反射镜面，打到其上面的激光光束反射到光电四象限探测器上形成光斑。焦距可调激光器、扫描探针针尖、光电四象限探测器三者构成一个垂直于扫描探针的平面，入射光和反射光也在这个平面上。
反馈电路一端与测量探头中的光电四象限探测器直接相连，一端与三维微位移平台驱动器直接相连，三维微位移平台驱动器与三维微位移平台相连接，三维微位移平台Z向电压处理模块一端接在三维微位移平台驱动器的前端，获取三维微位移平台Z向驱动电压，另一端与结果显示模块相连接。具有纳米级表面微结构的参考模型固定在三维微位移平台上，它包括具有纳米级规则表面微结构的参考模型和具有纳米级不规则表面微结构的参考模型。
测量系统用到扫描探针和具有纳米级表面微结构的参考模型，扫描探针对力的反应非常灵敏。在系统开始工作前，三维微位移平台驱动器首先驱动三维微位移平台在X、Y两个方向上产生位移，将参考模型调整到扫描探针针尖的下方，然后驱动三维微位移平台在Z向上产生位移，使扫描探针和具有纳米级表面微结构的参考模型不断逼近，直至扫描探针针尖与具有纳米级表面微结构的参考模型间的距离达到原子力作用的范围，逼近过程完成。系统工作时，扫描探针在起振模块的作用下以固定频率和振幅振动，在被测物发生位移的同时，扫描探针和具有纳米级规则表面微结构的参考模型发生等量的相对位移，即扫描探针对具有纳米级表面微结构的参考模型进行扫描，在这个过程中，探针针尖与参考模型之间的原子力会使探针的振幅减小，测量探头检测到探针振幅的变化，并以电信号的形式输入到反馈电路中，反馈电路发挥作用，使三维微位移平台驱动器的Z向驱动电压不断变化，从而使三维微位移平台Z向位移不断变化，以保持扫描探针针尖与具有纳米级表面微结构的参考模型间的距离恒定，也就是保证探针振幅的恒定。不断变化的三维微位移平台驱动器Z向驱动电压反映了具有纳米级表面微结构的参考模型的形貌，三维微位移平台Z向电压处理模块记录并处理这个电压，最终实现纳米加工与制造中运动部件的精确定位，并将测量结果通过结果显示模块显示出来。
本实用新型也可以通过以下技术措施实现：对于具有纳米级规则表面微结构的参考模型，模型表面微结构的尺寸已知且形状规则，微结构之间的距离是固定的，成像或操纵系统的精确度将由采用的参考模型的表面微结构来决定，可以采用计数模块对微结构进行计数来检测扫描探针针尖或被测物的位置。
本实用新型也可以通过以下技术措施实现：对于具有纳米级不规则表面微结构的参考模型，模型表面微结构的尺寸未知且形状不规则，可采用模式识别模块测定扫描探针针尖或被测物的位置。
本实用新型也可以通过以下技术措施实现：在测量系统中，利用内插技术可得到更高分辨率和精度的测量结果，内插算法模块基于扫描探针在扫描中得到的三维数据：来自于参考模型的二维数据，来自于图像表面高度不同引起的针尖偏差得到的一维数据(高度/灰度级信息)。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：测量的分辨率、精度和范围由参考模型决定，容易实现纳米级、甚至亚纳米级的测量，系统结构简单，可靠性高，受外界环境和噪声影响小，工作过程与纳米成像和操纵过程是同步进行的，更好地保证了测量和反馈的实时性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为基于探测具有纳米级表面微结构的参考模型的测量系统结构原理图；
图2为具有纳米级规则表面微结构的参考模型表面形貌示意图；
图3为具有纳米级不规则表面微结构的参考模型表面形貌示意图；
图4为基于探测具有纳米级规则表面微结构参考模型的测量系统原理图；
图5为基于探测具有纳米级不规则表面微结构参考模型的测量系统原理图；
图6为应用内插算法的基于探测具有纳米级表面微结构参考模型的测量系统原理图。
图中 1、扫描探针；2、起振模块；3、焦距可调激光器；4、激光源；5、光束准直聚焦透镜组；6、光电四象限探测器；7、测量探头；8、反馈电路；9、三维微位移平台驱动器；10、三维微位移平台；11、三维微位移平台Z向电压处理模块；12、结果显示模块；13、具有纳米级表面微结构的参考模型；14、计数模块；15、模式识别模块；16、内插算法模块；17、具有纳米级规则表面微结构的参考模型；18、具有纳米级不规则表面微结构的参考模型。
1、2、3、6都属于测量探头(7)，4、5都属于焦距可调激光器(3)，14、15和16都属于三维微位移平台Z向电压处理模块(11)，17、18都属于具有纳米级表面微结构的参考模型(13)。
具体实施方式
在图1中，系统测量探头(7)由扫描探针(1)、起振模块(2)、焦距可调激光器(3)、光电四象限探测器(6)组成。扫描探针(1)无针尖的一端固定在起振模块上，带有针尖的一端悬空，且位于焦距可调激光器(3)的光束准直聚焦透镜组(5)的焦点处，扫描探针(1)的背面是光滑的反射镜面，探针的针尖尖端为单原子，并且对力的反应非常灵敏，激光源(4)发出的激光束通过光束准直聚焦透镜组(5)的中心，聚焦在扫描探针(1)针尖的背面，并被反射到光电四象限探测器(6)上形成光斑。
在系统开始工作前，三维微位移平台驱动器(9)首先驱动三维微位移平台(10)在X、Y两个方向上产生位移，将参考模型调整到扫描探针针尖的下方，然后驱动三维微位移平台(10)在Z向上产生位移，使扫描探针(1)和具有纳米级表面微结构的参考模型(13)不断逼近，直至两者间距离达到原子力作用的范围，逼近过程完成。
系统工作时，扫描探针(1)在起振模块的作用下以固定频率和振幅振动，在被测物发生位移的同时，扫描探针(1)和具有纳米级表面微结构的参考模型(13)发生等量的相对位移，即扫描探针(1)对参考模型进行扫描，在这个过程中，扫描探针(1)针尖与具有纳米级表面微结构的参考模型(13)之间的原子间作用力会使扫描探针(1)的振幅减小，测量探头(7)检测到扫描探针(1)振幅的变化，并以电信号的形式输入到与其直接相连的反馈电路(8)中，反馈电路(8)另一端与三维微位移平台驱动器(9)相连，使三维微位移平台驱动器(9)的Z向驱动电压不断变化，从而使三维微位移平台(10)的Z向位移不断变化，以保持扫描探针(1)针尖与具有纳米级表面微结构的参考模型(13)间的距离恒定，也就是保证扫描探针(1)振幅的恒定。不断变化的三维微位移平台驱动器(9)Z向驱动电压反映了具有纳米级表面微结构的参考模型(13)的形貌，三维微位移平台Z向电压处理模块(11)连接在三维微位移平台驱动器(9)的前端，记录并处理Z向驱动电压，最终实现纳米加工与制造中运动部件的精确定位，并将测量结果通过结果显示模块(12)显示出来。
在图4所示实施中，系统中采用具有纳米级规则表面微结构的参考模型(17)，其表面微结构的尺寸已知且形状规则，微结构之间的距离固定且为纳米级，成像或操纵系统的分辨率和精度由采用的参考模型的表面微结构来决定。在被测物发生位移的同时，扫描探针(1)和具有纳米级规则表面微结构的参考模型(17)发生等量的位移，即扫描探针(1)对具有纳米级规则表面微结构的参考模型(17)进行扫描，测量探头(7)检测扫描探针(1)振幅的变化，并以电信号的形式输入到与其直接相连的反馈电路(8)中，反馈电路(8)另一端与三维微位移平台驱动器(9)相连，使三维微位移平台驱动器(9)的Z向驱动电压不断变化，从而使三维微位移平台(10)的Z向位移不断变化，以保持扫描探针(1)针尖与具有纳米级规则表面微结构的参考模型(17)间的距离恒定，从而得到与参考模型形貌相对应的不断变化的三维微位移平台驱动器(9)Z向驱动电压。由于系统中采用具有纳米级规则表面微结构的参考模型(17)，所以得到的不断变化的三维微位移平台驱动器(9)Z向驱动电压是一规则的方波电压，利用计数模块(14)这个电压中的高电平进行计数，就可得到扫描探针(2)扫过的具有纳米级规则表面微结构的参考模型(17)表面上的微结构的个数，微结构的距离和尺寸已知，从而可实现纳米加工与制造中运动部件的精确位移测量，并将测量结果通过结果显示模块(12)显示出来。
在图5所示实施中，系统中采用具有纳米级不规则表面微结构的参考模型(18)，其表面微结构的尺寸未知且形状不规则，成像或操纵系统的分辨率和精度由采用的参考模型的表面微结构来决定。在被测物发生位移的同时，扫描探针(1)和具有纳米级不规则表面微结构的参考模型(18)发生等量的位移，即扫描探针(1)对具有纳米级规则表面微结构的参考模型(18)进行扫描，测量探头(7)检测扫描探针(1)振幅的变化，并以电信号的形式输入到与其直接相连的反馈电路(8)中，反馈电路(8)另一端与三维微位移平台驱动器(9)相连，使三维微位移平台驱动器(9)的Z向驱动电压不断变化，从而使三维微位移平台(10)的Z向位移不断变化，以保持扫描探针(1)针尖与具有纳米级不规则表面微结构的参考模型(18)间的距离恒定，从而得到与参考模型形貌相对应的不断变化的三维微位移平台驱动器(9)Z向驱动电压，利用模式识别模块(15)实现纳米加工与制造中运动部件的纳米级位移测量，并将测量结果通过结果显示模块(12)显示出来。
在图6所示实施中，系统中采用具有纳米级表面微结构的参考模型(13)，成像或操纵系统的分辨率和精度由采用的参考模型的表面微结构来决定。在被测物发生位移的同时，扫描探针(1)和具有纳米级表面微结构的参考模型(13)发生等量的位移，即扫描探针(1)对参考模型进行扫描，测量探头(7)检测扫描探针(1)振幅的变化，并以电信号的形式输入到与其直接相连的反馈电路(8)中，反馈电路(8)另一端与三维微位移平台驱动器(9)相连，使三维微位移平台驱动器(9)的Z向驱动电压不断变化，从而使三维微位移平台(10)的Z向位移不断变化，以保持扫描探针(1)针尖与具有纳米级表面微结构的参考模型(13)间的距离恒定，从而得到与参考模型形貌相对应的不断变化的三维微位移平台驱动器(9)Z向驱动电压。采用三维微位移平台Z向电压处理模块(11)可现实被测物的纳米级位移测量，再经过内插算法模块(16)的运算，能实现更高分辨率和精度的测量结果，使纳米加工与制造中运动部件位置更精确，并将测量结果通过结果显示模块(12)显示出来。
Claims (4)
1.基于探测具有纳米级表面微结构的参考模型的测量系统，其特征是：系统包括测量探头(7)、反馈电路(8)、三维微位移平台驱动器(9)、三维微位移平台(10)、三维微位移平台Z向电压处理模块(11)、结果显示模块(12)和具有纳米级表面微结构的参考模型(13)；所述具有纳米级表面微结构的参考模型(13)固定在三维微位移平台(10)上，所述反馈电路(8)一端与测量探头(7)连接，另一端与三维微位移平台驱动器(9)相连，所述三维微位移平台驱动器(9)与三维微位移平台(10)相连接，所述三维微位移平台Z向电压处理模块(11)一端接在三维微位移平台驱动器(9)的前端，另一端与结果显示模块(12)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于探测具有纳米级表面微结构的参考模型的测量系统，其特征是：测量探头(7)由扫描探针(1)、起振模块(2)、焦距可调激光器(3)和光电四象限探测器(6)组成，焦距可调激光器(3)由激光源(4)和光束准直聚焦透镜组(5)组成，光束准直聚焦透镜组(5)固定于激光源(4)的正前端；扫描探针(1)带有针尖的一端悬空且位于焦距可调激光器(3)中光束准直聚焦透镜组(5)的焦点处，无针尖的一端固定在起振模块上，起振模块固定在测量探头中；焦距可调激光器(3)固定在测量探头(7)的左上方，光电四象限探测器(6)固定在测量探头(7)的右上方，激光源(4)发出的激光束通过准直聚焦透镜组(5)的中心，聚焦在扫描探针(1)针尖的背面，从针尖上反射的激光光束打在光电四象限探测器(6)上，焦距可调激光器(3)、扫描探针(1)针尖、光电四象限探测器(6)三者构成一个垂直于扫描探针(1)的平面，入射光和反射光也在这个平面上。
3.根据权利要求1所述的基于探测具有纳米级表面微结构的参考模型的测量系统，其特征是：具有纳米级表面微结构的参考模型(13)包括具有纳米级规则表面微结构的参考模型(17)和具有纳米级不规则表面微结构的参考模型(18)。
4.根据权利要求2所述的基于探测具有纳米级表面微结构的参考模型的测量系统，其特征是：三维微位移平台Z向电压处理模块(11)包括计数模块(14)、模式识别模块(15)、内插算法模块(16)。
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