CN101278357B - 用于对微机械及纳米机械结构进行检验的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于表面检验的系统，其被设置用于探测构成机械结构(5)，例如微机械结构或纳米机械结构，之一部分的多个元件(51)的不同点处的振动和/或相对位移特性。根据本发明，使光束沿第一轨迹(A)沿所述机械结构发生位移，以探测沿所述轨迹(A)长度的不同的相继参考位置(C)，并使光束进一步沿多个第二轨迹(B)沿所述机械结构位移，其中每一所述第二轨迹(B)均与其中一个前述参考位置(C)相关联。此外，本发明进一步涉及一种对应方法以及一种实施该方法的程序。

Description

用于对微机械及纳米机械结构进行检验的系统及方法

发明领域

本发明涉及例如微悬臂或纳米悬臂、微桥或纳米桥、微薄膜或纳米薄膜等基于微机械或纳米机械结构的装置领域。

技术说明

人们对基于微机械及纳米机械元件的系统及方法的兴趣正日益增长(H.G.Craighead所著的“Nanoelectromechanical systems”，Science290，第1532-1535页(2000年))。微机电系统(MEMS)及基于微悬臂的装置是此种系统的两个相关的实例。现指出其几种应用，MEMS加速度计用于地震探测及监测、汽车气囊感测、以及惯性导航。类似技术用于血压监测。MEMS微镜是作为用于光学电信行业的光子开关而开发出来；微镜也可用于便携式显示器以及激光束定位应用。MEMS也可在生物及化学传感器中用作变送器。还存在各种各样的基于微悬臂的应用，此可被视为其中一种最简单形式的MEMS。例如，微悬臂用于在原子力显微镜方法中对纳米规模的吸引力及排斥力进行灵敏测绘(Y.Martin，C.C.Williams及H.K.Wickramasinghe所著的“AtomicForce Microscope-Force Mapping and Profiling on a sub 100-

scale”，Journal of Applied Physics 61，第4723-4729页(1987年))，用于超灵敏纳米机械生物及化学传感器(B.Ilic，D.Czaplewski，H.G.Craighead，P.Neuzil，C.Campagnolo及C.Batt所著的“Mechanical resonantimmunospecific biological detector”，Applied Physics Letters 77，第450-452页(2000年))，用于带电粒子探测(A.C.Stephan，T.Gaulden，A.-D.Brown，M.Smith，L.F.Miller及T.Thundat所著的“Microcantilever charged-particle flux detector”，Review of ScientificInstruments 73，第36-41页(2002年))，用于超高密度数据存储器的写入及读出(P.Vettiger等人所著的“Ultrahigh density，high-data-rateMEMS-based AFM data storage system”，Microelectronics Engineering46，第11-17页(1999年))。

对MEMS及微悬臂的形状、轮廓、运动、应力及应变的表征在产品开发及演进过程中发挥着重要作用。此外，对形状、轮廓、运动、应力和/或应变的实时测量对于监测例如化学及生物传感器的机械响应而言非常重要，这些化学及生物传感器就是基于MEMS或微悬臂或纳米悬臂的形状、轮廓、运动、应力或应变。

MEMS及微悬臂系统包括基于具有固定端及活动端的悬臂的系统；在这些系统中，通常探测的是“自由”端的位移和/或运动。然而，也存在基于在两端均被箝位的悬臂的系统，此时，可探测中央部分的运动。此外，还存在其它活动的及挠性的微机械或纳米机械结构，例如双重箝位的桨片，其“易于”运动的方向对应于桨片围绕用于将桨片连接至框架的铰链的轴线的扭转(基本上像通过球拍的两个相对的把手紧固至框架上的正方形球拍，沿轴线延伸)。其它已知的系统则利用通过两组铰链连接至框架上的薄膜，此能实现两个角度自由度。

在基于MEMS及微悬臂的化学/生物传感器中，微机械或纳米机械元件的表面使用能有选择地辨别目标物质的受纳体进行敏化。在微机械或纳米机械元件的表面上附着目标物质会使机械元件的形状、轮廓、应变、应力及运动(振动)发生变化。此种变化通常是通过测量机械元件的代表性部件(这通常是单箝位微悬臂的自由端，但也可是双重箝位的微悬臂的中心、薄膜片的一部分等等)的位移来进行测量。此种位移可约为1-100纳米，且在许多情形中，需要获得好于1nm的分辨率，此视应用而定。存在几种用于读出该位移的技术，例如容性探测、基于穿隧电流的探测、光学干扰测量、压电电阻读出及光束偏转技术。

MEMS及微悬臂系统的实例揭示于例如下列文献中：

Engel等人所著，Trends in Cell Biology，第9卷，1999年2月，第77-80页，“Atomic force microscopy：a powerful tool to observebiomolecules at work”

P.Vettiger等人所著，IBM J.Res.Develop.，第44卷，No.3，2000年5月，第323-339页，“The millipede-more than one thousand tips forfuture AFM storage”

WO-A-01/33226

WO-A-03/091458

光束偏转方法是最灵敏的方法，其优点是其可易于实施。图1示意性地显示用于光束偏转的传统现有技术方案。光源101(通常为激光光源)产生光束102(通常为激光光束，处于可见光谱、紫外光谱或红外光谱中)，光束102聚焦(即直接聚焦或通过涉及到例如一或多个镜103等的导向构件)至机械元件的要被测量位移的部分上，例如聚焦至微悬臂104的端部。利用位置敏感探测器105(例如光电探测器，比如为分段式光电探测器、连续位置感测光电探测器、光电探测器阵列、CCD等等)测量从悬臂反射的光束的偏转。例如，可采用分段式光电探测器，其被分割成方向平行于悬臂运动轴的两个段。悬臂偏转会使被反射的激光点在光电探测器上产生位移。因此，这两段之间的光电电流之差正比于悬臂偏转量。类似地，也可对例如双重箝位的悬臂、薄膜片、微桨片等其它类型的机械元件应用光束偏转技术。类似地，其也可用于读出其它类型的位移来取代非平面位移，例如微悬臂及微桨片的扭转运动等等。(G.Meyer及N.M.Amer所著的“Simultaneousmeasurement of lateral and normal forces with an optical-beam-deflectionatomic force microscope”，Applied Physics Letters，第57卷，第2089-2091页)。

该系统适用于测量例如悬臂等机械元件的静态与动态两种行为，例如(举例而言)最大偏转量、平均偏转值、在参考频率处的幅值(该元件可由以参考频率振荡的激发力从外部驱动)、该运动相对于外部驱动信号的相位、频率等等。然后，可使所测量的静态位移、幅值、频率等等与所要测量且与悬臂以及与用于模拟物体和/或悬臂的信号和/或程序相互作用的物体相关联。

现在，当要测量单个机械元件的单个部分的位移/运动时，上述技术是可行的。然而，此种技术无法应用于基于包括多个机械元件的阵列的装置，在此种装置中，需要测量每一元件的位移/运动。这些装置提供多功能性并提供比基于单个机械元件的装置更高的速度和/或更完整的信息。例如，基于微悬臂阵列的化学及生物传感器可通过以不同的受纳体将每一悬臂敏化而探测几种物质。此外，较佳获得关于机械元件的几个区域的位移信息，以便获得关于所测量的外部激励或关于与机械元件不同部分相互作用的不同激励的更多信息。

尽管上文所概述的光束偏转技术可分辨小至0.1纳米的偏转量，然而已证明在微悬臂阵列中实施此种读出技术是一个复杂的问题。至今为止，一直使用光源阵列，所述光源与悬臂阵列具有相同的间距。为对阵列中的每一悬臂分别进行照明，且为通过连续位置感测光电探测器(位置敏感探测器的一种类型)而依序读出每一悬臂的偏转量，这些光源是分别接通及断开。此种系统例如揭示于H.P.Lang等人在Applied Physics Letters第72卷No.3(1998年1月19日)第383-385页中所著的“Sequential Position Readout from Arrays of MicromechanicalCantilever Sensors”中。

然而，此种技术需要使用精密的技术且需要光束、微悬臂以及光电探测器精确对齐。而且，一个光束阵列将仅适用于具有相同间距(连续悬臂之间的距离)及相同元件数量的微悬臂阵列。

Mar Alvarez及Javier Tamayo所著的“Optical sequential readout ofmicrocantilever arrays for biological detection”(Sensors and Actuators B106(2005)，第687-690页，可在www.sciencedirect.com上获得)揭示一种例如图2中所示的系统，其中由放置于一维音圈致动器上的单个激光光源201对阵列204上的各微悬臂进行照明，由此使入射激光束沿垂直于悬臂纵向轴线的方向周期性地扫描该阵列。因此，微阵列中每一悬臂的自由端依序得到照明。当激光束从阵列中微悬臂的表面上发生反射时，探测位置敏感探测器205的总光电流的增大量(此增大量对应于所探测光电流206的峰值)，位置敏感探测器205设置有足以收集从悬臂上反射的激光束的几何形状。当探测到光电流增大时，便根据探测器所产生的光电流信号而确定被反射激光束射到光电探测器上的对应点的位置坐标，并可随后利用这些坐标来确定悬臂的偏转量。

另一方面，有时可能需要不仅测量悬臂或其它类型机械元件的特定部分的位移，而且还要测量悬臂或类似元件或其一部分的曲率的大体变化或大体形状。因此，已知一种应用于微悬臂传感器的技术，所述微悬臂传感器利用具有双层结构(例如使薄的金膜位于硅或碳化硅上)的悬臂的弯曲。悬臂的曲率会因分子吸附而随温度或表面差别应力的任何变化而发生变化。为实现曲率半径的变化，已知一种基于使用八个发光二极管的测量系统，这八个发光二极管聚焦于涂有金的硅悬臂的各位置上。利用光束偏转技术通过位置敏感探测器以亚纳米精度来测量悬臂上每一点的偏转，并由此获得悬臂的曲率。此种方法揭示于Sangmin Jeon等人所著的“Instant Curvature measurement formicrocantilever sensors”(Applied Physics Letters，第85卷，No.6，第1083-1084页(2004年8月9日))中。

除其中要测量悬臂特定部分的位移或其中要测量悬臂曲率的悬臂系统外，还可存在例如在不同区域中针对不同激励得到敏化的薄膜片等机械结构，其中敏化方式使得为获得关于每一激励的信息，需要测量机械结构每一敏化区域的位移。

另一方面，为开发可靠、可复制且可推向市场的装置，MEMS及微悬臂系统的静态与动态位移的描绘在对这些系统的表征中发挥着重用作用。其中用于对微机械结构的运动进行成像的技术是：频闪观测显微干涉计系统以及激光-多普勒振动计。这些技术可能比较笨重且成本昂贵，且有些利用复杂的算法来获得位移及振动的图像。而且，并非总可利用这些技术同时测量静态及动态位移。例如，激光-多普勒振动计是测量机械结构上一点的非平面速度。

发明描述

存在基于微机械或纳米机械元件的系统，在此种系统中，测量微机械或纳米机械元件相对于与这些元件相互作用的外部物体的位移或振动。例如，基于微机械及纳米机械元件的化学及生物传感器是基于如下事实：使物质吸附于机械元件表面上会改变机械元件的形状、轮廓、应变、应力及振动特征。通过测量机械元件在特定的代表点(例如靠近单箝位悬臂的自由端附近的点)处的位移而测量此种变化。此可利用光束偏转技术、使激光束射至靠近悬臂端部的点来精确测量。根据该点的位移，可利用理论模型来推导整个机械元件的位移。然而，这些模型是假定为理想条件且并非始终适用于实际情形。能够获得机械结构的或该结构中所关心区域的多个所选位置的位移及运动的实时测量值将比较有利。此将提供机械结构如何相对于所要测量的物体变化的更大量的信息，而此又意味着灵敏度更高且信噪比更高。例如，在某些微悬臂传感器中，沿微悬臂的曲率与吸附于微悬臂上的分子相关。为获得该曲率，需要测量沿悬臂的几个位置的位移。在基于更复杂机械微结构的其它传感器中，沿数个轴线的轮廓测量值将能提供关于机械微结构如何随所要测量的物体变化的更多信息。此外，可存在例如在不同区域中针对不同激励得到敏化的薄膜片等机械结构，其中敏化方式使得为获得关于每一激励的信息，需要测量机械结构每一敏化区域的位移。此外，在需要多功能性、高速度以及大量信息的应用中，可能需要测量属于二维阵列的各单独元件的位移。因此，申请者认为，需要一种如下系统及方法：其能沿至少一个方向或轴线探测微机械或纳米机械元件的多个所选点的位移及振动，且利用一个单光源来探测构成微机械或纳米机械结构(例如一维或二维阵列)之一部分的多个元件的静态位移及振动特征(幅值、相位、频率等等)的描绘图或特征图。

本发明的第一方面涉及一种表面检验系统，其被设置成探测构成机械结构(例如微机械或纳米机械结构，例如微悬臂阵列)之一部分的多个元件的多个点的相对位移(例如对应于元件的某一部分或区域的坡度)和/或振动特性。所述系统包括：

光源(例如激光光源，例如激光二极管)，其被设置成产生至少一个光束(例如激光束)；

位置敏感探测器(例如光电探测器或者被设置成产生一输出信号或一组输出信号的类似探测器，另一方面，输出信号又取决于入射于所述光电探测器上的入射光束的位置，且另一方面，取决于入射光束的光强度)，其被设置成当所述光束从所述机械结构上反射时接收所述光束并响应于接收到所述光束而产生至少一个输出信号；

电子控制系统(其可构建于个人电脑中，或者例如构建于另一种可编程电子装置中，例如微控制器或类似装置中)；

扫描装置(即某种扫描机构)，用于遵循来自所述电子控制系统的指令而使所述光束相对于所述机械结构进行相对位移，以利用所述光束扫描所述机械结构(所述扫描装置可包括用于使光束产生器或其一部分发生位移的构件、和/或一或多个镜或其它反光装置、以及用于使相关组件发生位移的对应驱动构件)。

根据本发明，所述电子控制系统被设置成控制所述扫描装置，以使所述光束沿第一轨迹沿所述机械结构发生位移，从而探测沿所述第一轨迹的多个相继的参考位置。所述电子控制系统在运行上与所述位置敏感探测器相关联，以通过分析来自所述位置敏感探测器的至少一个输出信号(例如通过所述输出信号的位置相关性，即通过分析在所述光束沿所述结构发生位移期间所述输出信号如何变化)而确定所述参考位置。

所述电子控制系统被进一步设置用于控制所述扫描装置，以使所述光束沿多个第二轨迹沿所述机械结构发生位移，每一所述第二轨迹均与其中一个所述参考位置相关联(例如，使每一第二轨迹均起始于此一参考位置，或者与此一参考位置具有预定关系)。

所述电子控制系统被进一步设置成在所述光束沿每一所述第二轨迹位移期间从所述位置敏感探测器获得多个位置信号输出。这些位置信号输出可用于确定所检验结构的对应点的相对位移和/或振动特征。

因此，本发明可通过根据相应的第二轨迹扫描所述元件，而获得关于构成一结构的不同元件的大量点的信息。因而，可获得更完整的信息。

所述电子控制系统可在运行上与所述位置敏感探测器相关联，以通过分析来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值(例如，所述幅值的位置相关性)而确定所述参考位置。

例如，所述电子控制系统可在运行上与所述位置敏感探测器相关联，以确定一位置为参考位置：

-当所述位置对应于来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最大值时(此可起因于所述光束在对应元件上的全反射)；

-当所述位置对应于来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最小值时(此一局部最小值可例如起因于悬臂阵列的两个悬臂之间的间隙)；

-当所述位置对应于来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最大斜度时(此可起因于阵列中的悬臂边缘-反射光的强度在此处存在骤然变化)；或者

-当所述位置对应于如下位置时：其与对应于来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最大和/或最小值的位置具有规定的关系(例如，可将参考位置选取成对应于与和反射光强度中的局部最小值相对应的两个位置等距的位置，即选取成悬臂阵列中悬臂侧面上的两个间隙之间的位置)。

来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值可指示由所述位置敏感探测器所接收的所述光束的强度。

所述电子控制系统可被设置成：

使所述光束沿所述第一轨迹位移；

在探测到参考位置时，中断所述光束沿所述第一轨迹的位移，而是使所述光束沿对应于所述参考位置的第二轨迹位移；

随后，继续使所述光束沿所述第一轨迹位移，直至探测到下一参考位置为止。

或者，所述电子控制系统可被设置成：

使所述光束沿所述第一轨迹位移，直至到达所述第一轨迹的末端为止，同时记录相继的参考位置；

然后，在到达所述第一轨迹的所述末端后，接着使所述光束沿对应于所述所记录的参考位置的第二轨迹位移。

所述第二轨迹可包括每一元件中或每一元件的一区域中的很大数量的点，以获得所述元件的或所述元件的所述区域的斜度、位移和/或振动的总体表面描绘图。

所述第一轨迹可例如是沿第一方向的大致直的轨迹。

所述第二轨迹可例如是沿大致垂直于所述第一轨迹的方向的大致直的轨迹(当例如目的是探测悬臂阵列中平行设置的悬臂的纵向曲率时，此为一种适合的选项)。

或者，所述第二轨迹可例如是沿大致平行于所述第一轨迹的方向的大致直的轨迹(当目的是测量沿纵向方向一个接一个设置的元件的纵向曲率时-例如在硅衬底或类似衬底中设置于相继的孔中的悬臂，或者当目的是探测以平行设置的多个元件的纵向轴线为中心的扭矩时-例如阵列的桨片或悬臂)。

所述第一和/或所述第二轨迹也可例如为曲折、Z字形、正弦和/或圆形轨迹，且其可与所述第一轨迹具有任何适当的关系。

所述机械结构可例如为悬臂阵列；如果是，则所述元件可为所述悬臂阵列中的悬臂。

所述系统可进一步被设置成将所述位置信号输出作为指示所述机械结构的对应元件沿对应的第二轨迹的表面位移(例如，对应于表面的相对位移或斜度)和/或振动特征的数据加以存储和/或对待。

本发明的另一方面涉及一种表面检验方法，其用于探测构成机械结构一部分的多个元件的多个点的相对位移(例如对应于元件的某一部分或区域的坡度的增大量)和/或振动特征，所述方法包括下列步骤：

将光束射向所述机械结构，并形成所述光束相对于所述机械结构的相对位移，以利用所述光束扫描所述机械结构；

使用位置敏感探测器接收从所述机械结构反射的光束，所述位置敏感探测器被设置成响应于接收到所述光束而产生至少一个输出信号(例如光电探测器或者被设置成产生一输出信号或一组输出信号的类似探测器，另一方面，输出信号又取决于入射于所述光电探测器上的入射光束的位置，且另一方面，取决于入射光束的光强度)；

其中所述形成所述光束相对于所述机械结构的相对运动的步骤的执行使所述光束沿第一轨迹沿所述机械结构位移。

根据本发明，所述方法进一步包括下列步骤：探测沿所述第一轨迹的多个相继的参考位置，所述参考位置是通过分析来自所述位置敏感探测器的至少一个输出信号加以确定。

所述形成所述光束相对于所述机械结构的相对运动的步骤的进一步执行还使所述光束沿多个第二轨迹沿所述机械结构位移，所述第二轨迹中的每一个均与其中一个所述参考位置相关联。

所述方法进一步包括：在使所述光束沿所述第二轨迹的每一个位移期间，从所述位置敏感探测器获得多个位置信号输出。

在对所述系统的描述中所作的说明在作必要的修正后也适用于所述方法。

例如，可通过分析来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值(例如所述幅值的位置相关性)来确定所述参考位置。

可如上文所解释，根据例如下列准则来判定一位置为参考位置：

-当所述位置对应于来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最大值时；

-当所述位置对应于来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最小值时；

-当所述位置对应于来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最大斜度时；或者

-当所述位置对应于如下位置时：其与对应于来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最大和/或最小值的位置具有规定的关系。

来自所述位置敏感探测器的所述至少一个输出信号的幅值可指示由所述位置敏感探测器所接收的所述光束的强度。

所述形成所述光束相对于所述机械结构的相对位移的步骤的执行可使：

-使所述光束沿所述第一轨迹位移；在探测到参考位置时，中断所述光束沿所述第一轨迹的位移，而是使所述光束沿对应于所述参考位置的第二轨迹位移；且随后，继续使所述光束沿所述第一轨迹位移，直至探测到下一参考位置为止。

或者

-使所述光束沿所述第一轨迹位移，直至到达所述第一轨迹的末端为止，同时记录相继的参考位置；且然后，在到达所述第一轨迹的所述末端后，接着使所述光束沿对应于所记录的参考位置的第二轨迹位移。

所述方法可进一步包括下列步骤：将所述位置信号输出作为指示所述机械结构的对应元件沿对应的第二轨迹的表面斜度、位移和/或振动特征的数据加以存储和/或对待。

本发明的再一方面涉及一种程序，例如计算机程序，其包括用于当在电子可编程系统中执行所述程序时用于使所述电子可编程系统(例如包括个人计算机或其它可编程的电子控制构件)执行本发明方法的程序指令。所述系统进一步包括上文所述的光源、位置敏感探测器及扫描装置。所述程序可实施于记录媒体(例如磁性或光学记录媒体-例如计算机存储器或只读存储器)上或者其可承载于电载波信号中。

附图简述

为使本说明书完整且使读者能够更好地理解本发明起见，提供一组附图。所述附图构成本说明书的整体组成部分并显示本发明的较佳实施例，所述较佳实施例不应被视为限制本发明的范畴，而是仅作为本发明的实施方式的实例。附图包括下列图式：

图1是一种根据用于测量微悬臂偏转量的光束偏转技术进行悬臂读出的现有技术系统的示意图；

图2是一种利用激光束来扫描微悬臂阵列的现有技术系统的示意图；

图3A及3B是本发明实施例的示意图；

图4是示意性地显示在利用光束偏转技术时，当表面(例如悬臂中的一区域)的斜度发生变化时被反射激光在位置敏感探测器上的位移；

图5A-5C显示根据本发明进行的实验；

图6A及6B显示利用本发明实施例所获得的曲线，其对应于在MCH吸附期间多个微悬臂的悬臂端部绝对位移的实时测量值(图6A)以及绝对曲率半径的实时测量值(图6B)；

图7显示基于本发明实施例、根据实验得到的扫描轨迹；

图8A-8C显示与所述实验相对应地来自位置敏感探测器的输出信号；以及

图9A-9D显示第一及第二轨迹的可能实施方式的不同实例。

发明优选实施例描述

图3A显示本发明实施例的示意图，其中利用包括激光二极管的光源1来产生激光束11，以利用激光束11扫描微机械结构5，微机械结构5包括多个分别具有箝位端及自由端的悬臂51。

由光电探测器构成的位置敏感探测器2被设置用于接收从悬臂51上反射之后的光束，并产生三个输出信号，其中一个输出信号的幅值取决于射至位置敏感探测器2上的光的强度，而另两个的幅值则取决于光射到所述位置敏感探测器上的位置的坐标。

因此，由于当光从悬臂上反射时，位置敏感探测器中的光电流以类似于在下列文献中所揭示的方式增大，因而悬臂51与隔开各悬臂的间隙被区别开来：Mar Alvarez及Javier Tamayo所著的“Opticalsequential readout of microcantilever arrays for biological detection”，Sensors and Actuators B 106(2005)，第687-690页(参见上文)。

激光二极管1安装于扫描装置4上，用于沿机械结构5、基本上在由悬臂51(在其理想的非弯曲位置)所界定的XY平面中沿不同路径扫描激光束11。在本发明的该实施例中，扫描装置4是基于两个垂直的线性音圈致动器，所述音圈致动器是基于管状线圈与永久磁铁之间的洛伦兹力。音圈致动器通常允许具有几微米的运动范围，速度从0.1至几mm/s且精确度为100nm。然而，也可利用其它方法，例如直线电动机、压电致动器等等。此外，可利用中间镜、通过控制倾斜角度来扫描激光束。

如上文所述，所反射的激光束会聚于位置敏感(光电)探测器(PSD)中，以提供指示反射点(即被反射激光束射到探测器相关表面上的点)的总光强度及位置的输出信号。

进一步，提供电子控制系统3，其连接至位置敏感探测器以接收及分析来自所述位置敏感探测器2的输出信号，并连接至扫描装置4以根据存储于所述电子控制系统中的程序来控制扫描装置4。

在位置敏感探测器所会聚的总光电流较高的点处(例如，高于阈值，或对应于总光电流中的局部最大值，其中利用恰当的标准软件例程可容易地探测出所述局部最大值)，测量所述PSD上反射点的位置坐标。如在光束偏转技术中一样，对被反射激光点在位置敏感探测器上的位置变化的主要作用对应于悬臂倾角(斜度)α的变化，由此得到被反射激光点在位置敏感探测器上的运动s≈2Dα(α＜＜1)，其中D是悬臂与位置敏感探测器2之间的距离，如在其中悬臂的斜度增大一角度α的图4中所示意性地显示。在图4中示意性地显示在斜度增大之前激光束11A在位置敏感探测器2上的入射点与在斜度增大之后的激光束11B之间的距离s。

可通过沿包含于入射-反射平面中的轴线以及沿垂直方向的另一轴线测量被反射激光点在位置敏感探测器上的坐标，而使在入射激光束与反射激光束所形成的平面中所含的倾角变化和在垂直平面中所含的倾角变化去耦合。

在本发明的该实施例中，想要测量悬臂51沿其纵向轴线的轮廓。因此，根据本发明的原理，首先在垂直于阵列的第一方向(图3B中的轨迹A)上扫描激光束11，以对悬臂的自由端进行照明。在悬臂的自由端得到照明的激光束位置上，在线性位置敏感探测器2中获得光电流的最大值。对应于在位置敏感探测器2中所产生的光电流局部最大值的这些位置被用作参考起始点(图3B中的参考位置C)，以用于沿每一悬臂(第二轨迹B)执行第二次扫描。该过程是自动进行的并受实施于个人计算机(PC)中的电子控制系统的控制。

在第二轨迹过程中，从位置敏感探测器读出并存储位置信号(用于标识反射激光束在位置敏感探测器上的入射位置的信号)。然后，可容易地利用这些资料来获得沿第二轨迹B的悬臂51的表面轮廓估计值。

每一悬臂的垂直位移可通过函数进行描述，该函数依赖于沿悬臂长度的坐标z(x)。激光束所射至的每一x位置的倾角均近似表示为dz/dx。因此，被反射激光束在PSD上的位置可由 $s\left(x\right)\≅2D\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dx}}\left(x\right)+x\cos \mathrm{\β}$ 进行描述，其中第二被加数是考虑到激光束位移的影响，而β是入射激光束与处于静止位置的悬臂(参见图4)之间的夹角。对来自位置敏感探测器的输出信号s(x)进行积分，便可得到下面的悬臂轮廓z(x)：

$z\left(x\right)=\frac{1}{2D0}\underset{0}{\overset{x}{\∫}}s\left(x^{\′}\right){\mathrm{dx}}^{\′}-\frac{1}{4}\frac{x^2}{D}\cos \mathrm{\β}---\left(1\right)$

在分子吸附实验中，应用本发明的该特定实施例获得了属于一阵列的五个硅悬臂的轮廓(400μm长，100μm宽，1μm厚)。之前在悬臂的底侧对悬臂涂覆以薄的金层。每一悬臂两侧上的不同表面(顶部-＞硅，底部-＞金)意味着所述表面在其分子吸附性方面存在差别。此会形成表面应力差，从而转变成悬臂发生弯曲。通过在向微悬臂阵列所被分配到的流体单元中注射称作6-氢硫基-1-己醇(MCH)的有机分子过程中测量微悬臂阵列在水中的轮廓而对本发明的该实施例进行了测试，其中由于在MCH的硫醇基与金之间形成强的结合而使有机分子强烈吸附于金表面上。而在硅表面上则不出现此种强的吸附。在图5A-5C中示意性地显示该实验。图5A显示在接纳MCH之前的硅结构的剖视图，该硅结构包括在底面上具有40nm厚的用于吸附MCH的金层的硅悬臂51。图5B显示与图5A相同的结构，但是是在吸附MCJ之后，因而悬臂显示出弯曲的轮廓：金与硅表面之间的表面应力差造成悬臂弯曲以及曲率半径发生变化。图5C显示在MCH吸附之前及之后，应用上面的方程式(1)所测得的属于一阵列的这五个微悬臂的轮廓。在图5C中，竖轴代表悬臂轮廓(单位为μm)，且横轴代表沿所述悬臂距每一悬臂的根部的纵向距离(单位也为μm)。虚线代表在吸附MCH之前的轮廓，而直线代表在吸附MCH之后的轮廓。在该实验中，悬臂间隔为250μm。

可实时地测量这五个微悬臂的轮廓，且其可在不到1秒钟内获得，该时间远低于表面反应及分子吸附通常所用的时间(为分钟数量级)。因此，利用本发明，可测量分子吸附过程中悬臂轮廓的演变，并可实时地获得例如悬臂端部位移及曲率半径等参数。图6A及6B示意性地显示在吸附MCH(由箭头指示)过程中这五个微悬臂的悬臂端部绝对位移(图6A)及绝对曲率半径(图6B)的实时实验测量值(在图6B中，仅显示对应于四个悬臂的曲线)。时间刻度在横轴上，且所给出的数字对应于分钟。

通过处理由电子控制系统在第二轨迹期间从位置敏感探测器获得的资料，应用方程式1来获得悬臂轮廓。可利用数值算法对位置敏感探测器输出的位置相关性进行过滤、平化、求导及积分。因此，可通过对电子控制系统进行适当编程(此可由所属领域的技术人员很容易地进行)而以实时方式快速获得相关数据，例如悬臂轮廓、平均曲率、在某些所关心点处的局部曲率、自由悬臂端及其它部件的位移、在沿悬臂的几个点处的斜度的变化等等。

这些更完整的悬臂轮廓数据比利用传统光束偏转技术所获得的数据提供关于悬臂表面上的反应的更多信息，光束偏转技术仅提供关于悬臂端部处局部斜度变化的数据。此外，该技术提供悬臂轮廓的绝对值而非局部斜度的相对变化。换句话说，利用传统的光束偏转技术，可确定在悬臂端部处的局部斜度随时间的变化。一旦从包括光学系统(即激光源及光电探测器)的装置上移下悬臂，该信息便很难恢复。然而，本发明则提供悬臂的绝对轮廓。因此，可与包括光学探测系统的装置相独立地处理悬臂。例如，此可与基因及蛋白体应用有关，例如，在这些应用中，构成密集阵列之一部分的悬臂分别通过受纳体(蛋白质或核酸)得到功能化。使用所要测量的样本(例如一组细胞或组织的RNA或蛋白质产品)来处理悬臂阵列。在使悬臂暴露于所述样本并进行洗涤步骤后，可将悬臂阵列再次安装于装置上，以测量每一悬臂的轮廓，从而将新轮廓与原始轮廓进行比较。可使轮廓变化量与存在于所分析细胞或组织中的所表达基因或蛋白质量相关。

实际上，为获得悬臂端部的实际位移，需要所有轮廓数据。在基于光束偏转技术的现有技术方案中，只能获得在悬臂端部处的位移的估计值，此依赖于几次近似。此也适用于对悬臂曲率半径的确定。

在本发明上述实施例的另一应用中，希望获得悬臂沿纵向轴线以及沿垂直方向的倾角(变形量)的描绘图。如在前一实例中一样，进行第一次扫描(图3B中的轨迹A)，以对属于该阵列的悬臂的自由端进行照明。相应于在位置敏感探测器中给出反射光强度最大值的位置(图7中由“阳光”照射的位置)确定参考位置(C)，这些位置对应于光从悬臂自由端上的反射。与这些参考位置相关联地，通过沿悬臂长轴进行几次平行扫描(图7中的轨迹B)来扫描与每一微悬臂相关联的区域。沿第一轨迹及第二轨迹的扫描在图7中分别由间断线及连续线表示。

图8A-8C显示在沿图7中的轨迹B进行扫描过程中所获得的来自位置敏感探测器的所测输出信号随照明激光束相对位置的变化。轨迹B经过选择，以扫描属于该阵列的三个悬臂。所用的位置敏感探测器是二维线性位置敏感光电探测器，其提供三个电输出，其中一个近似正比于对光电探测器进行照明的光的强度，另两个则近似正比于对光电探测器进行照明的光的形心的坐标(沿光电探测器表面的正交轴线)。在图8A中显示输出描绘图，其指示从每一微悬臂上反射的总光强度(图8A右侧的刻度以mV为单位显示来自位置敏感探测器的总强度输出)。图8B显示来自位置敏感探测器的输出信号的描绘图，其对应于反射光束在位置敏感探测器的y轴上的坐标(图8B右侧的刻度以mV为单位表示来自位置敏感探测器的y轴输出)。该位置敏感探测器被设置成其y轴及悬臂的纵向轴线均包含于由入射光束及反射光束所构成的平面中。因此，y轴输出指示沿悬臂纵向轴线的斜度。悬臂的斜度从箝位端向自由端增大表明悬臂不是直的，而是弯曲的。图8C显示来自位置敏感探测器的输出信号的描绘图，其对应于反射光束在位置敏感探测器上的x坐标(右侧上的刻度以mV为单位表示对应于x轴的输出)。该信号指示悬臂在垂直于纵向轴线方向上的变形(扭转)量。该数据表明悬臂存在明显的扭转变形。

当然，可为第一及第二轨迹选取大量不同的轨迹。图9A显示所述轨迹的第一实例，此类似于上文所述的实例，即根据第一轨迹A沿第一方向进行扫描并随后沿垂直于第一方向的方向进行第二轨迹B(在图9A-9D中，“阳光”照射对应于光束“最大反射”且因此对应于在位置敏感探测器中所产生的光电流最大幅值的点)。

图9B显示替代实施例，其中参考位置偏离由第一轨迹A所覆盖的位置(例如，被规定为与沿第一轨迹的最大反射点具有特定关系)，且其中第二轨迹B遵循折线路径，与所述第一轨迹相交叉。该实施例可适用于获得机械元件51的位移和/或振动的表面描绘图。

图9C显示又一实施例，其中沿第一轨迹A进行“U”形扫描，且其中第二轨迹在“朝外”方向上垂直于第一轨迹。

最后，图9D显示一其中第二轨迹B平行于所述第一轨迹A且实际上与所述第一轨迹的多个部分重合的实施例。当机械元件与沿第一轨迹设置于衬底中相继的孔中的悬臂相分离时，或者当机械元件51如图9D所示是沿第一轨迹平行设置的铰接装置以旨在测量这些装置的扭转时，该选项颇具价值。

在本文中，措词“包括”及其派生词不应被理解为具有排他意义，亦即，这些措词不应被视为排除所述及所定义的内容还可包括其它元件、步骤等的可能性。

另一方面，本发明显然并非仅限于本文所述的具体实施例，而是还囊括所属领域的技术人员在权利要求书所界定的本发明一般范围内可想到的任何变化形式(例如在材料、尺寸、组件、构造等选项方面)。

Claims (32)

1.一种用于表面检验的系统，其被设置成探测构成机械结构(5)之一部分的多个元件(51)的多个点的相对位移和/或振动特性，所述系统包括：

光源(1)，其被设置成产生至少一个光束(11)；

位置敏感探测器(2)，其被设置成当所述光束反射出所述机械结构(5)时接收所述光束，并响应于所述光束的接收而产生至少一个输出信号；

电子控制系统(3)；

扫描装置(4)，其用于遵循来自所述电子控制系统(3)的指令而使所述光束相对于所述机械结构(5)进行相对位移，以利用所述光束扫描所述机械结构；

其中所述电子控制系统(3)被设置成控制所述扫描装置(4)，以使所述光束沿第一轨迹(A)沿所述机械结构位移，从而探测沿所述第一轨迹(A)的多个相继的参考位置(C)，其中所述电子控制系统(3)在运行上与所述位置敏感探测器(2)相关联，以通过分析来自所述位置敏感探测器(2)的至少一个输出信号而确定所述参考位置(C)；

其中所述电子控制系统(3)被进一步设置用于控制所述扫描装置(4)，以使所述光束沿多个第二轨迹(B)沿所述机械结构发生位移，所述第二轨迹(B)中的每一个均与所述参考位置(C)中相应的一个相关联；

所述电子控制系统被进一步设置成在所述光束沿所述第二轨迹(B)的每一个位移期间从所述位置敏感探测器(2)获得多个位置信号输出。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子控制系统(3)在运行上与所述位置敏感探测器(2)相关联，以通过分析来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值而确定所述参考位置(C)。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电子控制系统(3)在运行上与所述位置敏感探测器(2)相关联，以当一位置对应于来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最大值时判定所述位置为参考位置。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电子控制系统(3)在运行上与所述位置敏感探测器(2)相关联，以当一位置对应于来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最小值时判定所述位置为参考位置。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电子控制系统(3)在运行上与所述位置敏感探测器(2)相关联，以当一位置对应于来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值中的局部斜度最大值时判定所述位置为参考位置。

6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电子控制系统(3)在运行上与所述位置敏感探测器(2)相关联，以当一位置对应于如下位置时判定所述位置为参考位置：其与对应于来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最大和/或最小值的位置具有规定的关系。

7.如权利要求2-6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值是指示由所述位置敏感探测器所接收的所述光束的强度。

8.如权利要求1-6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述电子控制系统被设置用于：

使所述光束沿所述第一轨迹(A)位移；

在探测到参考位置(C)时，中断所述光束沿所述第一轨迹(A)的位移，并改为使所述光束沿对应于所述参考位置(C)的第二轨迹(B)位移；

随后，继续使所述光束沿所述第一轨迹(A)位移，直至探测到下一参考位置(C)为止。

9.如权利要求1-6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述电子控制系统被设置用于：

使所述光束沿所述第一轨迹(A)位移，直至到达所述第一轨迹(A)的末端为止，同时记录相继的参考位置(C)；

然后，在到达所述第一轨迹(A)的所述末端后，接着使所述光束沿对应于所记录的参考位置(C)的所述第二轨迹(B)位移。

10.如权利要求1-6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二轨迹(B)包括每一元件中或每一元件的一区域中的很大数量的点，以获得所述元件的或所述元件的所述区域的斜度、位移和/或振动的总体表面描绘图。

11.如权利要求1-6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第一轨迹(A)是沿第一方向的大致直的轨迹。

12.如权利要求1-6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二轨迹(B)是沿大致垂直于所述第一轨迹(A)的方向的大致直的轨迹。

13.如权利要求1-6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二轨迹(B)是沿大致平行于所述第一轨迹(A)的方向的大致直的轨迹。

14.如权利要求1-6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第一轨迹和/或所述第二轨迹为曲折的和/或Z字形轨迹。

15.如权利要求1-6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述机械结构(5)为悬臂阵列，且其中所述元件(51)为所述悬臂阵列中的悬臂。

16.如权利要求1-6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述用于表面检验的系统进一步被设置成将所述位置信号输出作为指示所述机械结构(5)的对应元件(51)沿对应的第二轨迹(B)的表面位移和/或振动特征的数据加以存储和/或对待。

17.一种表面检验方法，其用于探测构成机械结构(5)之一部分的多个元件(51)的多个点的相对位移和/或振动特征，所述方法包括下列步骤：

将光束(11)射向所述机械结构，并形成所述光束相对于所述机械结构(5)的相对位移，以利用所述光束扫描所述机械结构；

使用位置敏感探测器(2)接收从所述机械结构反射出的光束，所述位置敏感探测器(2)被设置成响应于所述光束的接收而产生至少一个输出信号；

其中形成所述光束相对于所述机械结构(5)的相对位移的步骤的执行使所述光束沿第一轨迹(A)沿所述机械结构位移，所述方法进一步包括下列步骤：探测沿所述第一轨迹(A)的多个相继的参考位置(C)，所述参考位置(C)是通过分析来自所述位置敏感探测器(2)的至少一个输出信号加以确定；

其中进一步执行形成所述光束相对于所述机械结构的相对位移的所述步骤，以还使所述光束沿多个第二轨迹(B)沿所述机械结构位移，所述第二轨迹(B)中的每一个均与所述参考位置(C)中相应的一个相关联；

其中所述方法进一步包括：在使所述光束沿所述第二轨迹(B)中的每一个位移期间，从所述位置敏感探测器(2)获得多个位置信号输出。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，通过分析来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值而确定所述参考位置(C)。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，当一位置对应于来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最大值时判定所述位置为参考位置。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，当一位置对应于来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最小值时判定所述位置为参考位置。

21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，当一位置对应于来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值中的局部斜度最大值时判定所述位置为参考位置。

22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，当一位置对应于如下位置时判定所述位置为参考位置：其与对应于来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值中的局部最大和/或最小值的位置具有规定的关系。

23.如权利要求17-22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，来自所述位置敏感探测器(2)的所述至少一个输出信号的幅值是指示由所述位置敏感探测器所接收的所述光束的强度。

24.如权利要求17-22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，形成所述光束相对于所述机械结构(5)的相对位移的所述步骤的执行使得：

所述光束沿所述第一轨迹(A)位移；

在探测到参考位置(C)时，中断所述光束沿所述第一轨迹(A)的位移，并改为使所述光束沿对应于所述参考位置(C)的第二轨迹(B)位移；

随后，继续使所述光束沿所述第一轨迹(A)位移，直至探测到下一参考位置(C)为止。

25.如权利要求17-22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，形成所述光束相对于所述机械结构(5)的相对位移的所述步骤的执行使得：

使所述光束沿所述第一轨迹(A)位移，直至到达所述第一轨迹(A)的末端为止，同时记录相继的参考位置(C)；

然后，在到达所述第一轨迹(A)的所述末端后，接着使所述光束沿对应于所记录的参考位置(C)的所述第二轨迹(B)位移。

26.如权利要求17-22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二轨迹(B)包括每一元件中或每一元件的一区域中的很大数量的点，以获得所述元件的或所述元件的所述区域的斜度、位移和/或振动的总体表面描绘图。

27.如权利要求17-22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一轨迹(A)是沿第一方向的大致直的轨迹。

28.如权利要求17-22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二轨迹(B)是沿大致垂直于所述第一轨迹(A)的方向的大致直的轨迹。

29.如权利要求17-22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二轨迹(B)是沿大致平行于所述第一轨迹(A)的方向的大致直的轨迹。

30.如权利要求17-22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一轨迹和/或所述第二轨迹为曲折的和/或Z字形轨迹。

31.如权利要求17-22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述机械结构(5)为悬臂阵列，且其中所述元件(51)为所述悬臂阵列中的悬臂。

32.如权利要求17-22中任一权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：将所述位置信号输出作为指示所述机械结构(5)的对应元件(51)沿对应的第二轨迹(B)的表面位移和/或振动特征的数据加以存储和/或对待。

Images