CN101852915B

CN101852915B - 一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制方法及装置

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Publication number: CN101852915B
Application number: CN2010101602109A
Authority: CN
Inventors: 付号; 曹更玉
Original assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: CN101852915A

Abstract

本发明公开了一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制方法及装置，其步骤是：A、构建微型光学谐振腔；B、产生稳定的激光；C、调节光学谐振腔工作点；D、调节被动光学反馈控制系统反馈的增益。该装置由光学系统、微位移调节装置和微电子机械传感器固定与调节装置组成，光学系统通过单模光纤与微位移调节装置中压电陶瓷微位移调节装置相连，微位移调节装置通过步进式位移调节平台同微电子机械传感器固定与调节装置中微电子机械传感器固定装置连接，微电子机械传感器安装在微电子机械传感器调节装置上。该方法简单、高效、成本低，操作简单。具有很高的控制效率，降低了微电子机械传感器的测量噪声，提高了微电子机械传感器的响应速度。

Description

一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统控制技术领域，更具体涉及一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制方法，同时还涉及一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制的装置，这种方法可以广泛适用于扫描探针显微镜的微电子机械测力传感器、微电子机械生物传感器与生物分子测试芯片、微电子机械化学传感器与气体传感芯片和微电子机械质量传感器与应力传感器的优化控制。

背景技术

目前，微电子机械系统被广泛应用于物理、化学和生物领域的高灵敏度传感器件。微电子机械传感器的高测量灵敏度是建立在微电子机械系统的高共振品质因数Q值和小弹性常数之上。但是，随着微电子机械传感器弹性常数的减小，其热噪声幅值将不断增大。同时，由于微电子机械传感器的响应时间与振动品质因数成正比，提高微电子机械传感器的振动品质因数Q值不仅会减小其测量动态范围而且还会降低微电子机械传感器对测量信号的响应速率。为了降低微电子机械传感器的热噪声、提高对测量信号的响应速率、优化动态性能，通常需要对微电子机械传感器进行优化控制。目前，微电子机械传感器优化控制普遍采用的是一种主动电子反馈激振控制系统。这种控制系统利用测量得到的微电子机械传感器振动信号，根据所设计的反馈函数，通过适当的励振源给微电子机械传感器施加一个实时的控制力，以达到对微电子机械传感器优化控制的目的。通过对电子反馈系统的设计合理，这种控制方法确实在微电子机械传感器的优化控制方面取得较好控制效果，使微电子机械传感器的测量噪声、响应速率和动态性能都有较大改善。但是这种控制方法的控制效果在很大程度上取决于测量得到的微电子机械传感器振动信号的质量，因此当所测量得到的微电子机械传感器振动信号信噪比非常低时这种控制方法往往很难做出正确的反馈控制。错误的反馈不仅不能优化微电子机械传感器的性能，而且还会降低微电子机械传感器的测量信噪比、严重时甚至会导致错误测量。另外，这种控制方法的控制效果在很大程度上取决于控制电路的电子噪声水平，电磁波等外界因素很容易对这种电子反馈控制系统产生干扰，并通过控制系统直接耦合到微电子机械传感器的测量信号中，影响微电子机械传感器的测量信噪比。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制方法，该方法简单、高效、成本低，操作简单。被动光学反馈控制利用激光作用在微电子机械传感器上的热辐射力作为控制微电子机械传感器运动的反馈控制力，具有很高的控制效率，可以显著改善微电子机械传感器的动态性能，降低微电子机械传感器的测量噪声，提高微电子机械传感器的响应速度，尤其适合对极高灵敏度微电子机械传感器的优化控制。

本发明的另一个目的是在于提供了一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制的装置，这种控制装置结构简单，成本低。而且由于这种控制装置的组要控制部件为光学部件，使得这种控制装置具备良好的抗外界电磁干扰的能力，不易在微电子机械传感器测量系统中引入额外的控制系统噪声。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制方法，其步骤是：

A、构建微型光学谐振腔：

a、利用微电子机械传感器固定装置使0°抛光后的光纤端面(抛光的角度误差±0.5°)正对微电子机械传感器的平表面并平行放置；

b、通过步进式位移调节平台使经过平面抛光后的光纤端面逐渐靠近微电子机械传感器的表面，最终使它们间距在10～60μm之间，形成微型光学谐振腔；

B、产生稳定的激光：

a、打开激光器电源给激光器供电，给激光器设置一个较大的激光发射功率(对于高灵敏度的微电子机械传感器，设置激光功率～1mW；对于低灵敏度的微电子机械传感器，激光功率设置得更高～10mW)；

b、开启激光器冷却系统(对于小功率激光器可采用风冷；对于大功率激光器应该采用水冷)，等待20～40分钟，使激光器的工作温度稳定；

C、调节光学谐振腔工作点：

a、使用压电陶瓷微位移调节装置，在所用激光波长1/2倍的范围内连续调节平面抛光后的光纤端面与微电子机械传感器表面的距离；

b、通过监视测量得到的微电子机械传感器振动信号，在蓝失谐状态下微电子机械传感器振动幅度会较红失谐状态下有显著减小，利用这一特征确定微型光学谐振腔工作点处于蓝失谐状态。

D、调节被动光学反馈控制系统反馈的增益：

a、反馈控制系统的反馈增益完全由激光器的功率控制的，并于激光功率成正比，激光器的功率越大反馈的增益越大，反之越小，因此可以通过调节激光器的发射功率设置合适的反馈增益；

b、当确定了合适的激光功率，即反馈增益后，等待20～40分钟，待激光器的输出功率达到稳定后，确认反馈增益是否合适，若与期望值有偏差可对激光器功率进行微调，每次微调后等待～5分钟，使激光器达到稳定，直到获得理想反馈增益。

一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制装置，是由光学系统、微位移调节装置和微电子机械传感器固定与调节装置组成。光学系统通过单模光纤与微位移调节装置中压电陶瓷微位移调节装置相连，微位移调节装置通过步进式位移调节平台同微电子机械传感器固定与调节装置中微电子机械传感器固定装置连接。其中：

所述的光学系统由激光器、激光器电源、激光器冷却器、单模光纤和FC/APC光纤适配器组成。激光器电源与激光器连接，激光器冷却器(如风扇、水冷装置等)安装于紧邻激光器的地方或与激光器紧密接触，单模光纤一端通过FC/APC光纤适配器与激光器连接，单模光纤另外一端的端面进行平面抛光后固定到压电陶瓷微位移调节装置上。微电子机械传感器安装在微电子机械传感器调节装置上。

所述的微位移调节装置由步进式位移调节平台及其驱动控制器和压电陶瓷微位移调节装置及其驱动控制器组成。压电陶瓷微位移调节装置固定在步进式位移调节平台上，单模光纤固定在压电陶瓷微位移调节装置上，步进式位移调节平台和压电陶瓷微位移调节装置分别与步进式位移调节平台驱动控制器和压电陶瓷驱动控制器连接。

所述的微电子机械传感器固定与调节装置由微电子机械传感器调节装置和微电子机械传感器固定装置组成。微电子机械传感器固定装置是一个微电子机械传感器调节装置和步进式位移调节平台的固定平台，它将光纤端面垂直与微电子机械传感器表面固定。微电子机械传感器调节装置安装在微电子机械传感器固定装置上。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

本发明使用被动光学反馈控制系统实现微电子机械传感器优化控制的方法，该控制方法的控制效果完全不依赖于微电子机械传感器振动测量信号信噪比，而且有很好的抗外界电磁干扰性能，对控制系统的技术要求低、易于实现。在利用传统的电子主动反馈控制方法实现微电子机械传感器的优化控制时，为了保证反馈系统具有高的工作稳定性、尽量减小有反馈系统引入的噪声产生，需要根据控制源设计复杂的反馈电路。本发明在获得稳定高效的微电子机械传感器优化控制效果的同时，免除了复杂的电路的设计，由于使用了被动的振动控制机理，在最大限度上降低了反馈系统引入的噪声。而且这种控制不依照微电子机械传感器振动测量信号做出响应，即使在测量信噪比很低的情况下这种控制方法依然能够获得很好的控制效果。

附图说明

图1为一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制装置结构示意图

图2为一种光学系统原理示意图

图3为一种微位移调节装置的示意图

图4为一种微电子机械传感器固定与调节装置的示意图

图5是利用本被动光学反馈控制方法实现原子力显微镜微悬臂梁控制的实施例

其中：1.激光器电源，2.激光器冷却装置(5W风扇)，3.激光器(SCW1301G-200FCR，laser diode incorporated)，4.FC/APC光纤适配器，5.单模光纤(9/125/900单模光纤)，6.微电子机械传感器(单晶硅悬臂梁)，7.步进式位移调节平台(ANPx101，attocube systems)，8.压电陶瓷微位移调节装置(ANSz50，attocube systems)，9.步进式位移调节平台驱动控制器(ANC35，attocube systems)，10.压电陶瓷驱动控制器(ANC250，attocubesystems)，11.微电子机械传感器调节装置(ANPx101，attocube systems)，12.微电子机械传感器固定装置(已在实施例3中描述)，13.激光光纤干涉仪(USBFiber Interferometer，Nanomagnetics)，14.原子力显微镜测量控制台(Inspiron 580s，DELL)。

具体实施方式

实施例1：

A、构建微型光学谐振腔，如图4所示，利用微电子机械传感器固定与调节装置将0°抛光后的光纤端面(抛光的角度误差±0.5°)正对微电子机械传感器的平表面并平行放置，并使用步进式位移调节平台使经过平面抛光后的光纤端面逐渐靠近微电子机械传感器的表面，最终使它们的间距在10-60μm，形成微型光学谐振腔；

B、产生稳定的激光，如图2所示，打开激光器电源给激光器供电，通过调节激光器电源的输出电流给激光器设置一个较大的激光发射功率(对于高灵敏度的微电子机械传感器，设置激光功率～1mW；对于低灵敏度的微电子机械传感器，激光功率设置得更高～10mW)；然后，开启激光器冷却系统(对于小功率激光器可采用风冷；对于大功率激光器应该采用水冷)，等待20或25或40分钟，使激光器的工作条件稳定；

C、调节光学谐振腔工作点，如图3所示，利用微位移调节装置来调节光学谐振腔工作点，操作压电陶瓷驱动控制器通过压电陶瓷微位移调节装置，在所用激光波长1/2倍的范围内连续调节平面抛光后的光纤端面与微电子机械传感器表面的距离；通过监视测量得到的微电子机械传感器振动信号，在蓝失谐状态下微电子机械传感器振动幅度会较红失谐状态下有显著减小，利用这一特征确定微型光学谐振腔工作点处于蓝失谐状态；

D、调节被动光学反馈控制系统反馈的增益，调节激光光纤干涉仪的输出功率来控制被动光学反馈控制系统反馈的增益，通过改变激光器电源的输出电流控制激光器的输出功率，输出激光功率越大反馈系统的反馈增益越大，反之亦然；在获得合适的反馈增益后等待20或25或30或35或40分钟，待激光器的输出功率达到稳定后，确认反馈增益要求，若与期望值有偏差可对激光器功率进行微调，每次微调后等待1或2或3或4或5分钟，使激光器达到稳定，直到获得理想反馈增益，被动光学反馈控制系统即可达到稳定工作状态。

实施例2：

利用一种被动光学反馈控制实现原子力显微镜微悬臂梁控制的方法，其步骤为：

A、构建微型光学谐振腔，利用原子力显微镜微电子机械传感器固定与调节装置，将0°抛光后的光纤端面(抛光的角度误差±0.5°)正对悬臂梁(一种高灵敏度微电子机械传感器)的平表面并平行放置，并使用步进式位移调节平台使经过平面抛光后的光纤端面逐渐靠近微电子机械传感器的表面，最终使它们的间距在10～40μm，形成微型光学谐振腔；

B、产生稳定的激光，利用测量原子力显微镜悬臂梁振动的激光光纤干涉仪产生波长为1310nm的红外激光，设置激光功率为2mW，并开启激光器冷却风扇，等待30分钟使激光器工作达到稳定。

C、调节光学谐振腔工作点，利用微位移调节装置调节光学谐振腔工作点，利用压电陶瓷驱动控制器连续改变输出到压电陶瓷微位移调节装置上的控制电压，使平面抛光后的光纤端面与微电子机械传感器表面的距离在～700nm的范围内连续调节；通过监视光纤干涉仪的测量信号调节微型光学谐振腔的失谐状态，在蓝失谐状态下测量得到的悬臂梁的振动幅度会较红失谐状态下有显著减小，利用这一特征确定微型光学谐振腔工作点处于蓝失谐状态。

D、调节被动光学反馈控制系统反馈的增益，通过原子力显微镜的测量控制台改变激光光纤干涉仪的输出激光功率，调节被动光学反馈控制系统反馈的增益，输出激光功率越大反馈系统的反馈增益越大，反之亦然，在获得合适的反馈增益后等待20分钟，待激光器的输出功率达到稳定后，被动光学反馈控制系统即可处于稳定工作状态。

实施例3：

一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制装置，是由光学系统X、微位移调节装置Y和微电子机械传感器固定与调节装置Z组成。光学系统X通过单模光纤5与微位移调节装置Y中压电陶瓷微位移调节装置8相连，微位移调节装置Y通过步进式位移调节平台9与微电子机械传感器固定与调节装置Z中微电子机械传感器固定装置12连接。其中：

所述的光学系统X由激光器3、激光器电源1、激光器冷却器2、FC/APC光纤适配器4和单模光纤5组成。激光器电源1与激光器3连接，激光器冷却器2(如风扇、水冷装置等)安装于紧邻激光器3的地方或与激光器3紧密接触，单模光纤5一端通过FC/APC光纤适配器4与激光器3连接，单模光纤5另外一端的端面进行平面抛光后固定到压电陶瓷微位移调节装置8上。微电子机械传感器6安装在微电子机械传感器调节装置11上。

所述的微位移调节装置Y由步进式位移调节平台7及其驱动控制器9和压电陶瓷微位移调节装置8及其驱动控制器10组成。压电陶瓷微位移调节装置8固定在步进式位移调节平台9上，单模光纤5固定在压电陶瓷微位移调节装置8上，步进式位移调节平台7和压电陶瓷微位移调节装置8分别与步进式位移调节平台驱动控制器9和压电陶瓷驱动控制器10连接。

所述的微电子机械传感器固定与调节装置Z由微电子机械传感器调节装置11和微电子机械传感器固定装置12组成。微电子机械传感器固定装置12是一个微电子机械传感器调节装置11和步进式位移调节平台7的固定平台，它将光纤端面垂直与微电子机械传感器6表面固定(根据其他部件的尺寸设计的一个可以固定这些部件的零件，本领域的普通技术人员不付出任何创造性劳动均能制备)。微电子机械传感器调节装置11安装在微电子机械传感器固定装置12上。

在本实施例中，激光光纤干涉仪作为原子力显微镜中悬臂梁的振动测量装置，同时被用来直接提供被动光学反馈控制所需要的稳定激光光源。因此，本发明在一些利用光学仪器方法(如激光光纤干涉测量方法、激光多普勒测量方法等等)测量微电子机械传感器振动的实际应用中，实现被动光学反馈控制所需的激光光源可以由相关光学测量仪器直接提供，这样可以进一步简化本发明中所设计的控制装置。因此，本发明所涉及的一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制方法尤其适用于使用光学仪器方法测量微电子机械传感器振动的相关应用。

Claims

1.一种微电子机械传感器的被动光学反馈控制方法，其步骤是：

A、构建微型光学谐振腔：

a、利用微电子机械传感器固定装置使0°抛光后的光纤端面正对微电子机械传感器的平表面并平行放置；

B、产生稳定的激光：

a、打开激光器电源给激光器供电，给激光器设置一个较大的激光发射功率，设置激光功率1～10mW；

b、开启激光器冷却系统，等待20～40分钟，使激光器的工作温度稳定；

C、调节光学谐振腔工作点：

b、通过监视测量得到的微电子机械传感器振动信号，使微型光学谐振腔工作点处于蓝失谐状态；

D、调节被动光学反馈控制系统反馈的增益：

a、反馈控制系统的反馈增益完全由激光器的功率控制的，并与激光功率成正比，激光器的功率越大反馈的增益越大，反之越小；通过调节激光器的发射功率设置反馈增益；

b、确定了激光功率，即反馈增益后，等待20～40分钟，待激光器的输出功率达到稳定后，确认反馈增益符合要求，若与期望值有偏差可对激光器功率进行微调，每次微调后等待1或2或3或4或5分钟，使激光器达到稳定，直到获得理想反馈增益。