CN103822651A - 基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统，其特征是所述系统包括：一用于发射水平激光束的激光器、一平面镜、一光电位置敏感探测器、一数据采集卡和一计算机。本发明利用音圈电机带动平面镜进行相应的往复平动或利用步进电机带动平面镜进行往复式摆动使激光器发射出来的激光束进行往复平动或转动，用该激光束对微悬臂梁阵列进行扫描；然后用光电位置敏感探测器时序接收微悬臂梁阵列中各微悬臂梁的偏转信号，从而监测各微悬臂梁上发生的实时反应信息。本发明的阵列扫描光路结构简单，容易实现；使用一根激光器对所有微悬臂梁进行扫描，保证了各根微悬臂梁上照射光斑的一致性；提升微悬臂梁阵列传感器系统性能。

Description

基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于微系统设备中多点扫描测量领域，特别涉及一种基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统及检测方法。

背景技术

测量、控制和自动化等现代科学技术的飞速发展极大地促进了信息技术的进步，人类社会已进入了信息时代。传感器技术作为信息技术的三大支柱之一是信息获取的主要手段，在现代科学技术的发展中起着越来越重要的作用。生化传感器是现代传感技术中的重要组成部分。在科学研究、食品安全、医疗卫生、环境监控、工农业生产等方面得到广泛应用。生化传感器是一种高特异性的、强有力的和廉价的分析工具，它可以在复杂的背景噪音条件下检测出靶标分子。生化传感器种类繁多，性质和形态各异。近年来，随着微机电系统（MEMS）技术的出现和发展，为生化传感器提供一些新的选择和思路。微悬臂梁作为一个最简单的MEMS器件近来受到广泛关注。

微悬臂梁传感技术是在原子力显微镜和微系统出现后迅速发展起来的一种新的传感方法。微悬臂梁传感器作为最简单的微机械元件，一直是微纳传感技术研究的热点。微悬臂梁传感器可以对具有特异性的生化反应参数进行实时测量，当微悬臂梁表面上发生生化反应时，微悬臂梁的上下表面会产生应力差改变并使微悬臂梁产生弯曲变形。通过激光照射微悬臂梁自由端，利用光杆杆法对每根微悬臂梁的端部位移进行放大后经过光电位置敏感探测器对信号进行探测，进而对微悬臂梁表面发生的生化反应进行研究。微悬臂梁传感器作为一种可以实时、高灵敏度、选择性好和非标定的新型传感方法应用在爆炸气体、气体压力、溶液中的重金属离子、抗生素、基因检测、蛋白质构象转变、抗原抗体绑定反应和酶的催化过程等方向的检测。

目前大量使用的单根微悬臂梁生化传感器由于每次只能用一根微悬臂梁进行实验，浪费了大量时间；并且由于生化反应中需要多组试样对照，这就迫切的需要实现两根微梁以上的多根微悬臂梁检测的研究。

在论文（Cantilever array sensors.Materials Today,2005.8(4):p.30-36.）中，学者利用垂直共振腔面射型激光器提供8阵列光源对微悬臂梁阵列中的8根微悬臂梁进行时序照射。这种检测方法存在的问题是垂直共振腔面射型激光器光束间的间距是固定的，故其只能针对一定间距规格的微悬臂梁阵列进行检测，并且各个激光束相对独立不能保证激光束的一致性。

在先前用于一种阵列微悬臂梁单元偏角测量系统（公开号：101261139）中，采用了复杂光路建立傅立叶变换系统实现对微悬臂梁偏角进行检测，该系统光路复杂不易搭建。

在用于对微机械及纳米机械结构进行检测的系统及方法（公开号CN101278357A）中，采用音圈电机带动激光器实现对微悬臂梁阵列上的每根微悬臂梁进行扫描，音圈电机的机械振动会导致激光器发出的激光束产生误差。

在论文（Javier,T.,et al.,Imaging the surface stress and vibrationmodes of a microcantilever by laser beam deflection microscopy.Nanotechnology,2012.23(31):p.315501.）中，学者则采用让安放微悬臂梁的溶剂池进行二维摆动，实现对微悬臂梁阵列中的每根微悬臂梁进行扫描。而溶剂池运动会使得反应溶液中粒子产生不必要的运动，使检测数据产生误差。

发明内容

本发明为了避免现有技术存在的不足之处，提供一种基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统及检测方法，通过同一激光束对微悬臂梁阵列进行扫描，保证了微悬臂梁阵列各根微悬臂梁上照射光斑的一致性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统，其结构特征在于所述系统包括：

一用于发射水平激光束的激光器；所述激光器固设在可移动位移平台上；

一平面镜，所述平面镜倾斜设在水平激光束的前方，将水平激光束反射成照向微悬臂梁阵列的反射激光束，所述反射激光束用于待测微悬臂梁阵列的微悬臂梁自由端扫描；所述平面镜固定在音圈电机上，利用音圈电机使平面镜做水平往复运动；

一光电位置敏感探测器，所述光电位置敏感探测器用于接收经所述微悬臂梁自由端反射后所形成的激光束，并产生一个输出信号；

一数据采集卡，所述数据采集卡用于采集光电位置敏感探测器的输出信号；

一计算机，所述计算机用于处理数据采集卡所采集的数据。

本发明结构特点还在于：

所述音圈电机用步进电机代替，所述平面镜固定设在步进电机的电机轴上，利用步进电机带动平面镜绕电机轴做往复式摆动。

所述激光器为半导体激光器，激光光源为632nm-780nm范围内的单色光源。

所述微悬臂梁陈列放置在溶剂池中的基体夹持台上，溶剂池通过进口管和出口管控制溶剂的进出；所述溶剂池顶部设有透明玻璃窗。

所述基体夹持台的台面与水平面形成0°-10°范围内的倾角。

所述溶剂池底部设有用于控制溶剂温度的恒温器。

一种基于平面镜平动的微悬臂梁阵列传感器微悬臂梁偏转检测方法，其特点在于包括如下步骤：

1）将待测微悬臂梁阵列放置在溶剂池中基体夹持台上，使微悬臂梁阵列呈倾斜方向排列，所述溶剂池密闭，顶部设有透明玻璃窗，溶剂池通过进口管和出口管控制溶剂的进出；

2）通过可移动位移平台调整激光器的初始位置，同时调整平面镜的初始位置，使激光器发射的水平激光束经平面镜反射后，透过玻璃窗垂直投射到微悬臂梁阵列的微悬臂梁自由端；

3）利用音圈电机带动平面镜往复平动，使反射激光束依次从左至右或从右至左平行式扫描微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁自由端，使反射激光束扫描到每个微悬臂梁自由端上的光斑一致；所述平面镜往复循环一次完成微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁两次扫描；

4）经过微悬臂梁自由端反射后的激光束被光电位置敏感探测器接收后，再经过数据采集卡采集后进入计算机进行处理。

一种基于平面镜转动的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测方法，其特点在于包括如下步骤：

1）将待测微悬臂梁阵列放置在溶剂池中的基体夹持台上，使微悬臂梁阵列呈倾斜方向排列，所述溶剂池密闭，顶部设有透明玻璃窗，溶剂池通过进口管和出口管控制溶剂的进出；

2）通过可移动位移平台调整激光器的初始位置，同时调整平面镜的初始位置，使激光器发射的水平激光束经平面镜反射后，透过玻璃窗垂直投射到微悬臂梁阵列中间的微悬臂梁自由端；

3）利用步进电机带动平面镜绕电机轴做往复式摆动，使反射激光束从中间依次向左再向右摆动完成对微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁自由端扫描；所述平面镜往复摆动循环一次完成微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁两次扫描；

4）经过微悬臂梁自由端反射后的激光束被光电位置敏感探测器接收后，再经过数据采集卡采集后进入计算机进行处理。

微悬臂梁阵列偏转检测系统的灵敏度与微悬臂梁自由端照射的激光束有较大关系，本发明利用移动平面反射激光束扫描原理实现微悬臂梁阵列偏转的检测，与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1）使用同一激光束对微悬臂梁阵列进行扫描，保证了微悬臂梁阵列各根微悬臂梁上照射光斑的一致性；

2）通过平面镜使激光束在空中变向，避免因移动激光器或反应池对检测信号带来的干扰；

3)系统光路结构简单，容易搭建；

4)扫描时间可以根据音圈电机或步进电机速度调节，平面镜移动更加灵活；

5）基体夹持台使微悬臂梁阵列呈倾斜方向排列，可以避免经微悬臂梁反射出的激光束与经玻璃窗反射出的激光束同时落入位置敏感探测器内对实验结果带来的干扰。

附图说明

图1本发明的系统原理图

图2音圈电机带动平面镜平动扫描微悬臂梁阵列原理图

图3音圈电机带动平面镜平动扫描微悬臂梁阵列第一微悬臂梁自由端过程示意图

图4音圈电机带动平面镜平动扫描微悬臂梁阵列第二微悬臂梁自由端过程示意图

图5步进电机带动平面镜转动扫描微悬臂梁阵列原理图

图6步进电机带动平面镜转动扫描微悬臂梁阵列第四微悬臂梁自由端过程示意图

图7步进电机带动平面镜转动扫描微悬臂梁阵列第三微悬臂梁自由端过程示意图

图8基体夹持台夹持微悬臂梁阵列装置示意图。

1可移动位移平台、2激光器、3平面镜、4音圈电机、5微悬臂梁阵列、6进口管、7出口管、8溶剂池、9基体夹持台、10恒温器、11光电位置敏感探测器、12数据采集卡、13计算机、14玻璃窗、15步进电机、16电机轴、17微悬臂梁。

具体实施方式

下面结合附图1和附图2对本发明专利进行详细描述，以便技术人员理解。

实施例1

如图1所示，检测系统包括：

一用于发射水平激光束的激光器2；激光器固设在可移动位移平台上1，微位移平台可以做水平方向和垂直方向位移；激光器为半导体激光器，激光光源为632nm-780nm范围内的单色光源。

一平面镜3，平面镜倾斜设在水平激光束的前方，将水平激光束反射成照向微悬臂梁阵列5的反射激光束，反射激光束用于待测微悬臂梁阵列的微悬臂梁17自由端扫描；平面镜固定在音圈电机4上，利用音圈电机使平面镜做水平往复运动；或固定设在步进电机15的电机轴16上，利用步进电机带动平面镜绕电机轴做往复式摆动。

一光电位置敏感探测器11，光电位置敏感探测器用于接收反射激光束反射出微悬臂梁自由端的激光束，并产生一个输出信号；

一数据采集卡12，数据采集卡用于采集光电位置敏感探测器的输出信号；

一计算机13，计算机用于处理数据采集卡所采集的数据。

微悬臂梁阵列放置在溶剂池8中的基体夹持台9上，溶剂池通过进口管6和出口管7控制溶剂的进出；溶剂池顶部设有透明玻璃窗14；溶剂池底部设有用于控制溶剂温度的恒温器10。

基体夹持台的台面与水平面形成0°-10°范围内的倾角，如图8所示。

实施例2基于平面镜平动的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测方法

该方法包括如下步骤：

1）将待测微悬臂梁阵列放置在溶剂池中的基体夹持台上，使微悬臂梁阵列呈倾斜方向排列，所述溶剂池密闭，顶部设有透明玻璃窗，溶剂池通过进口管和出口管控制溶剂的进出；

2）通过可移动位移平台调整激光器的初始位置，同时调整平面镜的初始位置，使激光器发射的水平激光束经平面镜反射后，透过玻璃窗垂直投射到微悬臂梁阵列的微悬臂梁自由端；如图1所示。

3）利用音圈电机带动平面镜往复平动，使反射激光束依次从左至右或从右至左平行式扫描微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁自由端，使反射激光束扫描到每个微悬臂梁自由端上的光斑一致；所述平面镜往复循环一次完成微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁两次扫描；如图2、图3、图4所示，图中水平箭头代表平面镜移动方向。

4）经过微悬臂梁自由端反射后的光斑通过光电位置敏感探测器接收后，经过数据采集卡采集后进入计算机进行处理。即用光电位置敏感探测器时序接收微悬臂梁阵列中各微悬臂梁的偏转信号，从而监测各微悬臂梁上发生的实时反应信息。

实施例3基于平面镜转动的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测方法

该方法包括如下步骤：

1）将待测微悬臂梁阵列放置在溶剂池中的基体夹持台上，使微悬臂梁阵列呈倾斜方向排列，所述溶剂池密闭，顶部设有透明玻璃窗，溶剂池通过进口管和出口管控制溶剂的进出；

2）通过可移动位移平台调整激光器的初始位置，同时调整平面镜的初始位置，使激光器发射的水平激光束经平面镜反射后，透过玻璃窗垂直投射到微悬臂梁阵列中间的微悬臂梁自由端；

3）利用步进电机带动平面镜绕电机轴做往复式摆动，使反射激光束从中间依次向左再向右摆动完成对微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁自由端扫描；即先从中间扫描，然后向左（或向右）扫描，然后从最左边（最右边）再扫描到最右边（最左边）；再从最右边（最左边）扫描到初始扫描位置，完成一次往复式摆动循环，每完成一次循环即对微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁完成两次扫描；如图5、图6、图7所示，图中箭头方向代表平面镜的摆动方向。

4）经过微悬臂梁自由端反射后的激光束被光电位置敏感探测器接收后，再经过数据采集卡采集后进入计算机进行处理。

以上实施例中光电位置敏感探测器、采集卡、及计算机处理均采用本领域公知的现有技术。本发明利用音圈电机带动平面镜进行相应的往复平动或利用步进电机带动平面镜进行往复式摆动使激光器发射出来的激光束进行往复平动或转动，用该激光束对微悬臂梁阵列进行扫描；然后用光电位置敏感探测器时序接收微悬臂梁阵列中各微悬臂梁的偏转信号，从而监测各微悬臂梁上发生的实时反应信息。本发明的阵列扫描光路结构简单，容易实现；扫描两根微悬臂梁的时间间隔可以任意调节，并容易实现对各种间距的微悬臂梁阵列方便快捷的检测；使用一根激光器对所有微悬臂梁进行扫描，保证了各根微悬臂梁上照射光斑的一致性；提升微悬臂梁阵列传感器系统性能。

Claims (8)

1.基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统，其特征是所述系统包括：

一用于发射水平激光束的激光器；所述激光器固设在可移动位移平台上；

一平面镜，所述平面镜倾斜设在水平激光束的前方，将水平激光束反射成照向微悬臂梁阵列的反射激光束，所述反射激光束用于待测微悬臂梁阵列的微悬臂梁自由端扫描；所述平面镜固定在音圈电机上，利用音圈电机使平面镜做水平往复运动；一光电位置敏感探测器，所述光电位置敏感探测器用于接收经所述微悬臂梁自由端反射后所形成的激光束，并产生一个输出信号；

一数据采集卡，所述数据采集卡用于采集光电位置敏感探测器的输出信号；

一计算机，所述计算机用于处理数据采集卡所采集的数据。

2.根据权利要求1所述的基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统，其特征在于：所述音圈电机用步进电机代替，所述平面镜固定设在步进电机的电机轴上，利用步进电机带动平面镜绕电机轴做往复式摆动。

3.根据权利要求1或2所述的基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统，其特征在于：所述激光器为半导体激光器，激光光源为632nm-780nm范围内的单色光源。

4.根据权利要求1或2所述的基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统，其特征在于：所述微悬臂梁陈列放置在溶剂池中的基体夹持台上，溶剂池通过进口管和出口管控制溶剂的进出；所述溶剂池顶部设有透明玻璃窗。

5.根据权利要求4所述的基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统，其特征在于：所述基体夹持台的台面与水平面形成0°-10°范围内的倾角。

6.根据权利要求4所述的基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统，其特征在于：所述溶剂池底部设有用于控制溶剂温度的恒温器。

7.根据权利要求1所述的一种基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转检测系统的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将待测微悬臂梁阵列放置在溶剂池中的基体夹持台上，使微悬臂梁阵列呈倾斜方向排列，所述溶剂池密闭，顶部设有透明玻璃窗，溶剂池通过进口管和出口管控制溶剂的进出；

2）通过可移动位移平台调整激光器的初始位置，同时调整平面镜的初始位置，使激光器发射的水平激光束经平面镜反射后，透过玻璃窗垂直投射到微悬臂梁阵列的微悬臂梁自由端；

3）利用音圈电机带动平面镜往复平动，使反射激光束依次从左至右或从右至左平行式扫描微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁自由端，使反射激光束扫描到每个微悬臂梁自由端上的光斑一致；所述平面镜往复循环一次完成微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁两次扫描；

4）经过微悬臂梁自由端反射后的激光束被光电位置敏感探测器接收后，再经过数据采集卡采集后进入计算机进行处理。

8.根据权利要求2所述的一种基于平面镜反射的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转系统的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将待测微悬臂梁阵列放置在溶剂池中的基体夹持台上，使微悬臂梁阵列呈倾斜方向排列，所述溶剂池密闭，顶部设有透明玻璃窗，溶剂池通过进口管和出口管控制溶剂的进出；

2）通过可移动位移平台调整激光器的初始位置，同时调整平面镜的初始位置，使激光器发射的水平激光束经平面镜反射后，透过玻璃窗垂直投射到微悬臂梁阵列中间的微悬臂梁自由端；

3）利用步进电机带动平面镜绕电机轴做往复式摆动，使反射激光束从中间依次向左再向右摆动完成对微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁自由端扫描；所述平面镜往复摆动循环一次完成微悬臂梁阵列的每个微悬臂梁两次扫描；

4）经过微悬臂梁自由端反射后的激光束被光电位置敏感探测器接收后，再经过数据采集卡采集后进入计算机进行处理。

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