CN111879242A - 一种用于微位移平台的纳米定位控制系统 - Google Patents

一种用于微位移平台的纳米定位控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于微位移平台的纳米定位控制系统。将扫描探头和扫描平台在控制器控制下向待测材料表面移动到1微米以内时，定位传感器的SPR信号将发生变化，通过SPR信号实时计算两个平面之间的距离d,当d达到扫描距离要求时，传感器发出反馈信号，反馈信号传给上位机，上位机再将信号传给控制器，此信号控制扫描平台停止移动，从而实现根据扫描探头到待测材料表面之间的距离进行的纳米定位的目的。本发明可实扫描探头与待测材料之间距离的纳米级定位闭环控制，从而实现扫描探头的非接触式扫描测量。

Description

一种用于微位移平台的纳米定位控制系统
技术领域
本发明涉及纳米定位技术领域，特别是涉及一种用于微位移平台的纳米定位控制系统。
背景技术
纳米定位技术是前沿科学，广泛应用于超精加工、微电子工程、生物工程、纳米技术，在工程技术领域中是关键技术之一。对于纳米定位与扫描平台控制系统而言，由于其本身固有的迟滞性、蠕变性、负载性而且定位分辨力和定位精度都比较低，这都将直接影响扫描平台的纳米定位精度。以往主要是通过各种算法对扫描平台来实现前馈、反馈及混合方式的纳米位移控制。但在实际的非接触式测量中，常常需要扫描探头与待测材料表面之间距离保持在几十至几百纳米级别范围内，而传统的位移控制方法很难实现依据扫描探头到待测物体表面的距离进行定位控制。
发明内容
为了克服上述现有纳米定位技术不足，本发明提供了一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，能够实现在几百纳米范围内根据扫描探头与待测物体表面的距离进行定位控制。
一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，包括纳米定位传感器、扫描探头、扫描平台、控制器和上位机，所述定位传感器与扫描探头装配在一起，定位传感器通过信号线与上位机建立连接，扫描探头固定在扫描平台上，扫描平台与控制器建立信号传输实现控制扫描平台的移动，控制器与上位机连接，整个系统构成纳米定位的闭环控制系统。
在整个系统实施过程中，采用了表面等离子共振(SPR)技术进行纳米定位传感。SPR是一种物理光学现象，当入射光波矢量与棱镜表面的金属镀膜(金或银)的表面等离子体波(SPW)波矢量相匹配时，反射光强度会突然减小。本发明是将扫描探头与待测材料表面之间的空气层看作SPR结构中的一个膜层，SPR现象对薄膜厚度非常敏感，当膜层厚度在几百纳米范围内，对膜层厚度变化灵敏度可达纳米级别，利用这一特性，可以实时监测计算这一膜层的厚度，在扫描探头移动接近待测材料表面过程中，当这一厚度达到检测距离要求时，产生反馈信号并传回控制器，控制扫描平台停止继续移动，实现依据探头与待测材料表面间距离进行纳米精确定位。
优选的：所述定位传感器包括光源、棱镜、金属薄膜和光强接收器，棱镜的工作面镀有金属薄膜，光源发出激光经棱镜入射至金属薄膜上，金属薄膜反射光源发出的激光并由光强接收器接收。
优选的：所述金属薄膜为金膜或银膜，因为表面等离子体现象是光经过玻璃后在贵金属(金，银，铜或铝)表面才能产生，其中金膜或银膜效果最佳。
优选的：所述光源发出的激光入射到金属薄膜上的入射角度范围为：10-50°。
优选的：所述金属薄膜选用金膜时最佳厚度约为50nm,选用银膜时最佳厚度约为40nm,选用其它薄膜也都在100nm以内。
优选的：所述定位传感器的探测表面与扫描探头扫描平面共面。
一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，包括以下步骤：
步骤一：将定位传感器与扫描探头装配在一起，保证定位传感器表面与扫描探头扫描平面共面，定位传感器与扫描探头共面是为了更好地利用纳米定位技术测量扫描探头与待测物体表面之间的距离，然后再将定位传感器与上位机连接，扫描探头与扫描平台连接，并与扫描平台控制器连接，控制器与上位机连接；
步骤二：将扫描探头和扫描平台在控制器控制下向待测材料表面移动到1微米以内时，定位传感器的SPR信号发生变化，通过SPR信号实时计算定位传感器的探测面与待测材料表面之间的距离d值，当d值达到扫描距离要求时，定位传感器发出反馈信号，反馈信号传给上位机，上位机再将信号传给控制器，此信号控制扫描平台停止移动，从而实现根据扫描探头与待测材料表面之间的距离的纳米级定位闭环控制，从而实现扫描探头的非接触是扫描测量。
本发明的有益效果在于：
以往的纳米定位技术主要是各种算法实现前馈、反馈及混合控制等方法实现纳米级移动，即精确控制扫描平台的移动距离，而本发明可以依据扫描探头到待测材料表面的距离进行纳米定位，并且本装置保证纳米定位传感器与扫描探头共面是为了更好地利用纳米定位技术测出与待测材料之间的距离，最后控制扫描探头在纳米级距离上对待测材料进行非接触式扫描，从而实现扫描探头纳米定位的闭环控制。
附图说明
图1为定位传感器工作原理；
图2为SPR技术方案示意图；
图中，1-1光源，1-2棱镜，1-3金属薄膜，1-4光强接收器，2-1定位传感器,2-2扫描探头，2-3扫描平台,2-4控制器，2-5上位机，2-6待测材料。
具体实施方式
具体实施方式一、结合附图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，包括定位传感器2-1、扫描探头2-2、扫描平台2-3、控制器2-4和上位机2-5，所述定位传感器2-1与扫描探头2-2装配在一起，定位传感器2-1通过信号线与上位机2-5建立连接，扫描探头2-2固定在扫描平台2-3上，扫描平台2-3与控制器2-4建立信号传输实现控制扫描平台2-3的移动，控制器2-4与上位机2-5连接，整个系统构成纳米定位的闭环控制系统。在进行纳米定位过程中，将扫描探头2-2和扫描平台2-3在控制器2-4控制下向待测材料2-6表面移动到1微米以内时，定位传感器2-1的SPR信号发生变化，通过SPR信号实时计算定位传感器2-1的探测面与待测材料2-6表面之间的距离d值，当d值达到扫描距离要求时，定位传感器2-1发出反馈信号，反馈信号传给上位机2-5，上位机2-5再将信号传给控制器2-4，此信号控制扫描平台2-3停止移动，从而实现根据扫描探头2-2与待测材料2-6表面之间的距离的纳米级定位闭环控制，从而实现扫描探头的非接触是扫描测量。
具体实施方式二、结合附图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，所述定位传感器2-1包括光源1-1、棱镜1-2、金属薄膜1-3和光强接收器1-4，棱镜1-2的工作面镀有金属薄膜1-3，光源1-1发出激光经棱镜1-2入射至金属薄膜1-3上，金属薄膜1-3反射光源1-1发出的激光并由光强接收器1-4接收。如此设置，纳米定位传感器2-1为定位传感器，其工作原理为当入射光波矢量与棱镜表面的金属镀膜(金或银)的表面等离子体波(SPW)波矢量相匹配时，反射光强度会突然减小。本发明是将扫描探头与待测材料表面之间的空气层看作SPR结构中的一个膜层，SPR现象对薄膜厚度非常敏感，当膜层厚度在几百纳米范围内，对膜层厚度变化灵敏度可达纳米级别，利用这一特性，可以实时监测计算这一膜层的厚度，在扫描探头移动接近待测材料表面过程中，当这一厚度达到检测距离要求时，产生反馈信号并传回控制器，控制扫描平台停止继续移动，实现依据探头与待测材料表面间距离进行纳米精确定位。
具体实施方式三、结合附图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，所述金属薄膜1-3为金膜或银膜。
具体实施方式四、结合附图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，所述光源1-1发出的激光入射到金属薄膜1-3上的入射角度范围为：10-50°。
具体实施方式五、结合附图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，所述金属薄膜1-3选用金膜时最佳厚度约为50nm,选用银膜时最佳厚度约为40nm，选用其它薄膜也都在100nm以内。
具体实施方式六、结合附图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，所述定位传感器2-1的探测表面与扫描探头2-2扫描平面共面。
具体实施方式七、结合附图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，包括以下步骤：
步骤一：将定位传感器2-1与扫描探头2-2装配在一起，保证定位传感器2-1表面与扫描探头扫描平面共面，定位传感器2-1与扫描探头2-2共面是为了更好地利用SPR技术测出与待测材料之间的距离，然后再将定位传感器2-1与上位机2-5连接，扫描探头2-2与扫描平台2-3连接，并与扫描平台控制器2-4连接，控制器2-4与上位机2-5连接；
步骤二：将扫描探头2-2和扫描平台2-3在控制器2-4控制下向待测材料2-6表面移动到1微米以内时，定位传感器2-1的SPR信号发生变化，通过SPR信号实时计算定位传感器2-1的探测面与待测材料2-6表面之间的距离d值，当d值达到扫描距离要求时，定位传感器2-1发出反馈信号，反馈信号传给上位机2-5，上位机2-5再将信号传给控制器2-4，此信号控制扫描平台2-3停止移动，从而实现根据扫描探头2-2到待测材料2-6表面之间的距离进行的纳米定位的目的。
在本实施方式中，为了更进一步的解释说明该技术方案：
1、本实施方式以650nm激光作为光源1-1，经棱镜1-2以10°角度入射至50nm的金膜1-3上，此时反射光接收器1-4接收的反射光光强在某个角度处出现SPR共振吸收峰，例如43.5°，吸收深度为0.05，之后利用出现的SPR共振吸收峰来计算金属薄膜1-3与待测材料2-6之间的距离。
2、将定位传感器2-1固定在扫描探头2-2上，并使传感器金膜与扫描探头处于同一平面,传感器与扫描探头共面是为了更好地利用SPR技术测出扫描探头与待测材料表面的距离，并且SPR传感器由信号线连接至上位机2-5，这样所测出的信号将实时反馈给上位机。
3、扫描探头2-2固定在扫描平台2-3上，扫描平台2-3由信号线连接至控制器2-4，控制器2-4与上位机2-5连接，至此所有器材连接完毕。
4、对待测材料2-6进行检测时，由上位机2-5发出信号经控制器2-4控制扫描平台2-3、扫描探头2-2及定位传感器2-1向待测材料2-6移动。
5、当扫描探头2-2及定位传感器2-1移动至待测材料2-6表面一定距离时，定位传感器2-1的SPR信号发生变化，如SPR共振吸收峰角度位置由之前的43.5°移动至42°，吸收深度由0.05变化至0.12。通过SPR计算出此时扫描探头2-2与待测材料2-6表面之间距离d为800nm，此时的扫描探头2-2与待测材料2-6之间的距离即为800nm。
6、扫描探头2-2继续移动，SPR信号实时由定位传感器2-1传至上位机2-5，假设扫描探头2-2的有效工作距离d为400nm，当由SPR信号计算出的距离d达到400nm时，由上位机2-5时发出反馈信号传至控制器2-4，进一步由控制器2-4控制扫描平台2-3停止继续移动，此时扫描探头2-2将在距离待测材料400nm处进行扫描工作，这样就很好的控制扫描探头2-2与待测材料2-6之间的距离，也就达到了利用纳米定位技术实现了一种用于微位移平台的纳米定位控制系统。
本项目并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的原理或结构，而得到的其他形式的结构设计，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，其特征在于：包括纳米定位传感器(2-1)、扫描探头(2-2)、扫描平台(2-3)、控制器(2-4)和上位机(2-5)，所述纳米定位传感器(2-1)与扫描探头(2-2)装配在一起，纳米定位传感器(2-1)通过信号线与上位机(2-5)建立连接，扫描探头(2-2)固定在扫描平台(2-3)上，扫描平台(2-3)与控制器(2-4)建立信号传输实现控制扫描平台(2-3)的升降，控制器(2-4)与上位机(2-5)连接，整个系统构成纳米定位的闭环控制系统。
2.根据权利要求1所述一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，其特征在于：所述纳米定位传感器(2-1)包括光源(1-1)、棱镜(1-2)、金属薄膜(1-3)和光强接收器(1-4)，棱镜(1-2)的工作面镀有金属薄膜(1-3)，光源(1-1)发出激光经棱镜(1-2)入射至金属薄膜(1-3)上，金属薄膜(1-3)反射光源(1-1)发出的激光并由光强接收器(1-4)接收。
3.根据权利要求2所述一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，其特征在于：所述金属薄膜(1-3)为金膜或银膜。
4.根据权利要求2所述的一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，其特征在于：所述光源(1-1)发出的激光入射到金属薄膜(1-3)上的入射角度范围为：10-50°。
5.根据权利要求3所述一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，其特征在于：所述金属薄膜(1-3)的厚度为50nm的金膜。
6.根据权利要求1所述一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，其特征在于：所述纳米定位传感器(2-1)的探测表面与扫描探头(2-2)扫描平面共面。
7.一种用于微位移平台的纳米定位控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将纳米定位传感器(2-1)与扫描探头(2-2)装配在一起，保证纳米定位传感器(2-1)表面与扫描探头(2-2)扫描平面共面，纳米定位传感器(2-1)与扫描探头(2-2)共面是为了更好地利用纳米定位技术测出与待测材料之间的距离，然后再将纳米定位传感器(2-1)与上位机(2-5)连接，扫描探头(2-2)与扫描平台(2-3)连接，并与扫描平台控制器(2-4)连接，控制器(2-4)与上位机(2-5)连接；
步骤二：将扫描探头(2-2)和扫描平台(2-3)在控制器(2-4)控制下向待测材料(2-6)表面移动到1微米以内时，定位传感器(2-1)的SPR信号发生变化，通过SPR信号实时计算定位传感器(2-1)的探测面与待测材料(2-6)表面之间的距离d值，当d值达到扫描距离要求时，定位传感器(2-1)发出反馈信号，反馈信号传给上位机(2-5)，上位机(2-5)再将信号传给控制器(2-4)，此信号控制扫描平台(2-3)停止移动，从而实现根据扫描探头(2-2)与待测材料(2-6)表面之间的距离的纳米级定位闭环控制，从而实现扫描探头的非接触是扫描测量。
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