CN102062787B - 一种微电子机械传感器的选择性模态自激励方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微电子机械传感器的选择性模态自激励方法及装置，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。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，适用面广。可以在保留微电子机械传感器的高灵敏度的同时实现微电子机械传感器各个模态的选择性自激励，显著提高高灵敏度微电子机械传感器的响应速度。
Description
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选择性模态自激励方法，同时还涉及一种微电子机械传感器的被动光学选择性模态自激励的装置，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。目前，微电子机械传感的工作模式主要有：振幅测量、相位测量和频率变化（频差）测量等几种方法。其中，振幅测量和相位测量是通过测量微电子机械传感器的振幅或相位变化来获得待测信号。这种测量技术是一种稳定态下的测量技术，也就是说它要求微电子机械传感器达到稳定状态后才能获得真实可靠的信息。随着目前实际应用要求的不断提高，更高Q值和更小弹性常数的微电子机械传感器开始越来越广泛的应用到各个科研与技术领域。但是，这种高Q值的微电子机械传感器相对于之前的低Q值微电子机械传感去而言，其达到稳定状态所需要的时间更长。为了解决这一问题，频差测量方法已经开始广泛应用于这种高Q值微电子机械传感器的应用环境中。这种技术可以实现非稳定态下的准确测量，而且可以减小传感器本身给测量环境带来的影响。目前，微电子机械传感器的自激励技术已经开始在频差测量模式获得了越来越多的应用，并取得了大量的研究成果。此外，为了获得更加灵敏的测量，目前在微电子机械传感器的高阶模态使用方面也开展了大量的科学研究。这些研究表明，使用微电子机械传感器的高阶模态可以获得更加实现更加灵敏的测量。探测到某些利用基态所难以探测到的物理信息。通过，将自激励技术用于微电子机械传感器的高阶模态上，不仅可以提高信号采集的速度，而且可以实现更加灵敏的信号测量。目前，微电子机械传感器自激励主要采用的是主动控制的方式实现的。这种方法确实可以实现肯准确可靠的控制。但是，这种控制方法本身受到控制系统自身噪声水平的限制，在实现微电子机械传感器的自激励时会在一定的程度上降低微电子机械传感器的测量灵敏度。而目前所采用的被动控制方法基本上都是基于特定的微电子机械传感器设计的。这种方法往往是在传感自身集成一个激励源，可以在某些具体的应用中确实发挥有效的作用。但是，这种方法由于要求特殊的使用特殊的微电子机械传感器，它本身在很大程度上也限制了其应用范围。而且，受到激励源响应特性的限制，这种方法在实现微电子机械传感器高阶模态自激励的时候会存在一定的问题。同时，这种设计本身通常会降低传感器的灵敏度。
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选择性模态自激励方法，该方法利用被动光学的控制激励，具有简单、高效、成本低，操作简单，适用面广等特点。这种被动光学自激励技术利用激光作用在微电子机械传感器上的热辐射力作为微电子机械传感器运动的激励源，具有很高的控制效率。通过将激光照射在微电子机械传感器的不同位置上，可以微电子机械传感器不同模态的自激励。这种微电子机械传感器的被动光学选择性模态自激励可以在保留微电子机械传感器的高灵敏度的同时实现微电子机械传感器各个模态的选择性自激励，显著提高高灵敏度微电子机械传感器的响应速度，尤其可以满足不同微电子机械传感器的使用要求，对微电子机械传感器没有特殊的设计要求。
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选择性模态自激励的装置，这种控制装置结构简单，成本低，是一种测控一体的装置。而且由于这种控制装置的主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（ANPx101，Attocube systems）使0°抛光后的单模光纤端面（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单模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10～40mm之间，形成微型光学谐振腔；
c、利用微电子机械传感器固定装置调节激光在微电子机械传感器上照射点，根据所要激励的模态不同，选择合适的激光照射点，使得在该照射上传感器只有相应的模态被激发，而其他模态不会被显著激发。对于悬臂梁型的传感器其前三阶振动的选择性自激发可以在相应的激光照射区间内实现：一阶振动的自激发需要将激光照射到25%L～75%L，实现二阶振动的自激发需要将激光照射到15%L～85%L，实现三阶振动的激发需要将激光照射到10%L～90%L，其中L表示微悬臂梁的长度。
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（SCW1301G-200FCR,laser diode incorporated）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，设置激光功率大约在0.2～2mW；对于低灵敏度的微电子机械传感器，激光功率设置得更高，大约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（ANPx101，Attocube systems），在所用激光波长1/2倍的范围内连续调节平面抛光后的单模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，观察微电子机械传感器在两种不同失谐状态下的振动状态，在可以使相应模态激发的失谐状态下工作。
D、调节自激励强度：
a、自激励强度完全由激光器的功率控制的，并与激光功率成正比，激光器的功率越大自激励强度越大，反之越小。根据具体使用需要，设置合适的激光功率以获得合适的自激励强度；
b、当确定了合适的激光功率（这个由步骤a确定），即自激励强度之后，等待20～40分钟，待激光器的输出功率达到稳定后，确认自激励强度是否合适，若与期望值有偏差可对激光器功率进行微调，每次微调后等待大约5分钟，使激光器达到稳定，直到获得理想的自激励强度。
一种微电子机械传感器的选择性模态自激励的装置，它由光学系统、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，其特征在于：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与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。其中：
所述的光学系统由激光器（SCW1301G-200FCR,laser diode incorporated）、激光器电源、激光器冷却器（5W电风扇）、单模光纤和FC/APC光纤适配器（型号就是FC/APC）组成。激光器电源与激光器连接，激光器冷却器（如电风扇等）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（ANPx101，Attocube systems）及其驱动控制器（ANC250, attocube systems）和压电陶瓷微位移调节装置（ANSz50, attocube systems）及其驱动控制器（ANC250, attocube systems）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（ANPx101，Attocube systems）和微电子机械传感器固定装置（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）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，它将单模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：
本发明使用微电子机械传感器的选择性模态自激励的装置实现了微电子机械传感器各个模态的选择性自激励，我们在液氮温度（77K）到室温范围内利用这种选择性模态自激励方法实现了微悬臂梁前三个模态的选择性自激发，显著的提高了频差测量模式的灵敏度。实验结果表明该控制方法可以实现微电子机械传感器的不同模态的自激发，具有很好的可靠性和可控性，是一种测控一体的简单、高效、成本低，操作简单，适用面广的控制方法。使用主动控制实现微电子机械传感器的激发时，需要使用特定的控制单元，使得微电子机械传感器的控制效果依赖于控制系统的本身噪声，会在一定程度上降低传感器的测量灵敏度。本发明使用被动光学的控制方法，在实现微电子机械传感器的自激发同时不会引入额外的系统噪声，不影响微电子机械传感器的测量信噪比和测量灵敏度。同时，相对于传统的微电子机械传感器的自激励方法，本发明完全不依赖于特殊的微电子机械传感器设计，不需要在传感器本省集成任何的激励源，完全不会影响微电子机械传感器的测量信噪比和测量灵敏度，可以轻松实现各个模态的选择性激发，具有更加广泛的适用性。
附图说明
图1为一种微电子机械传感器的选择性模态自激励装置的结构示意图
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是利用本微电子机械传感器的选择性模态自激励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（微悬臂梁，NSG01,NT-MDT），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, Attocube systems），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（USB Fiber 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：
一种微电子机械传感器的选择性模态自激励方法，其步骤是：
利用如图4所示的微电子机械传感器固定与调节装置，将0°抛光后的单模光纤端面（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单模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10～40mm，形成微型光学谐振腔；
A、利用如图2所示的光学系统产生稳定的激光。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，设置激光功率大约200mW；对于低灵敏度的微电子机械传感器，激光功率设置得更高，约为2mW）；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20～40分钟，使激光器的工作条件稳定；
B、调节激光照射点，根据微电子机械传感器的类型以及需要实现自激发的模态阶数，将激光照射在微电子机械传感器的相应区域上；
C、利用如图3所示的微位移调节装置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单模光纤端面与微电子机械传感器表面的距离；监视测量微电子机械传感器相应模态的振动信号，在某一失谐状态下其振动会被激发，而在另一失谐状态下其振动会被抑制。利用这一特性，将工作点设定到可以使所需振动激发的失谐状态下。
D、调节激光光纤干涉仪的输出功率，改变自激励强度；通过改变激光器电源的输出电流控制激光器的输出功率，输出激光功率越大自激励强度越大，反之亦然，在获得合适的自激励强后等待20～40分钟，待激光器的输出功率达到稳定后，被动光学自激励控制系统即可达到稳定工作状态。
实施例2：
利用一种微电子机械传感器的选择性模态自激励方法实现扫描力显微镜微悬臂梁控制的方法，其步骤是：
A、利用扫描力显微镜微电子机械传感器固定与调节装置，将0°抛光后的单模光纤端面（抛光的角度误差±0.5°）正对微悬臂梁（一种高灵敏度微电子机械传感器，NSG01,NT-MDT）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单模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20～40mm，形成微型光学谐振腔；
B、调节激光照射点，将激光照射在微悬臂梁长度方向的不同区间内，可以实现其不同振动的选择性自激发；其前三阶振动的选择性自激发可以在相应的激光照射区间内实现：一阶振动的自激发需要将激光照射到25%L～75%L，实现二阶振动的自激发需要将激光照射到15%L～85%L，实现三阶振动的激发需要将激光照射到10%L～90%L，其中L表示微悬臂梁的长度。
C、利用测量扫描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1mW，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。
D、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，使平面抛光后的单模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监视悬臂梁相应振动的振动情况，使光学谐振腔工作与可以使该振动增强的失谐状态下。
E、通过扫描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，调节自激励强度，输出激光功率越大被动光学控制系统的所能实现的自激励强度大，反之亦然，在获得合适的自激励强后等待20分钟，待激光器的输出功率达到稳定后，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选择性模态自激励装置，它由光学系统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，其特征在于：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7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，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。其中：
所述的光学系统X由激光器3、激光器电源1、激光器冷却装置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，激光器冷却装置2（如风扇）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为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，它将单模光纤5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、四象限探测方法等等）测量微电子机械传感器振动的实际应用中，实现被动光学选择性模态自激励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选择性模态自激励方法尤其适用于使用光学方法测量微电子机械传感器振动的相关应用。
Claims (1)
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°抛光后的单模光纤端面正对微电子机械传感器的光学测量面，并使得单模光纤端面与微电子机械传感器的光学测量面平行放置；
b、通过步进式位移调节平台使经过平面抛光后的单模光纤端面靠近微电子机械传感器的表面，它们间距在10～60mm之间，形成微型光学谐振腔；
c、利用微电子机械传感器固定装置调节激光在微电子机械传感器上照射点，根据所要实现的自激励的模态不同，选择合适的激光照射点；
B、产生稳定的激光：
a、打开激光器电源给激光器供电，给激光器设置一个激光发射功率，设置激光功率0.2～2mW;
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：
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单模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，观察微电子机械传感器在两种不同失谐状态下的振动状态，在可以使相应模态激发的失谐状态下工作；
D、调节被动光学控制系统的自激励强度：
a、自激励控制系统的自激励强度完全由激光器的功率控制，并于激光功率成正比，激光器的功率越大反馈的自激励强度越大，反之越小，根据具体使用需要，设置合适的激光功率以获得合适的自激励强度；
b、确定了激光功率，即自激励强度之后，等待20～40分钟，待激光器的输出功率达到稳定后，确认自激励强度，与期望值有偏差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，直到获得自激励强度。
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| CN102062787A (zh) | 2011-05-18 |
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