CN201903326U

CN201903326U - 纳米级微位移光杠杆激光测量系统

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Publication number: CN201903326U
Application number: CN2010206657194U
Authority: CN
Inventors: 刘晓旻; 李苏贵
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2020-12-17

Abstract

一种纳米级微位移光杠杆激光测量系统，它由弹簧-质量块-阻尼系统、位移检测系统和电控和信号处理系统组成，所述的弹簧-质量块-阻尼系统包括由矩形钢片构成的悬臂梁，悬臂梁一端连接质量块，所述的质量块上粘结平面镜A；所述的位移检测系统包括光源、光杠杆和光电探测器，所述的光杠杆由两个等长的平行设置的平面镜A和平面镜A＇组成，平面镜A＇固定在二维调节支架上。采用上述技术方案的本实用新型，用一对等长的平面反射镜组A和A′代替传统光杠杆原理中的一面平面镜，显著地增加光束的反射次数，增大了光束角度变化量，从而可以提高系统的测量精度。

Description

纳米级微位移光杠杆激光测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种纳米级微位移光杠杆激光测量系统。

背景技术

加速度计通过检测质量块相对壳体的位移量来测量输入的加速度的值，所以位移测量系统的测量精度是决定加速度计灵敏度的关键因素之一。加速度计的应用市场非常广阔，吸引了众多研究机构参与其中，有相当多的人力物力投入在新型加速度计的研究中。

双材料微悬臂梁探测器，它利用的是机械力学性质原理探测红外辐射，20世纪90年代末开始出现。其工作原理是：两种膨胀系数相差较大的材料，当温度升高时两种材料之间产生大的应力差，使得微悬臂梁发生形变，可用电容、光学、压阻或电子隧穿等极高灵敏度方法读出，并与常规电路如CMOS和CCD100%兼容。

目前，光学读出已经开始成为新型非制冷太赫兹、红外探测器的关键技术之一，原因在于光学读出是非接触式的，无需电学连接，因此降低了电噪声，也使得噪声等效温差降低。其原理是：用一束激光照射在IRFPA探测器上，当IRFPA探测器吸收红外辐射时，其温度发生变化从而引起形变，则激光束在探测器上的位置发生移动，反射的激光再落到CCD或CMOS相机上被读出，从而探测到红外信号。光学读出可使器件体积更小、携带更方便，因此具有光学读出方式的微悬臂梁非制冷探测器是非制冷探测器的一个重要发展方向。美国OakRidge国家实验室和田纳西州大学设计的双材料微悬臂梁探测器FPA为256×256元SiN／Al，就采用两种非接触光学方式读取信号。

微位移测量在测量技术中，通过检测位移量，可以测量振动、压力、应变、加速度和流量等多种物理量。在精密、超精密及微细加工技术中，位移量的精密测量是加工技术的重要基础，现代精密加工技术已经进入纳米技术时代，研究并开发相应的测量技术已成为当务之急。

依据测量原理不同,当今nm级位移测量技术可分为3大类：电学测量、显微镜测量和光学测量。电学测量中，电容法精度高，然而易受温度影响存在非线性问题，所需信号处理电路复杂；电感法结构抗电磁干扰性差。显微镜测量是新兴的技术，其精度高，但是探针在测量过程中易折断，探针制备技术、测量条件要求高。光学测量有X射线干涉法、激光频率法、外差激光干涉法和零差激光干涉法等。Put-man等从理论上证明，光杠杆方法的分辨率能达到10^-12m，且结构简单，不需要参考光束，因而在空气中具有高灵敏度、抗空气扰动。

太赫兹波(THz Wave)，是指频率在0．1～10THz范围内的电磁波，其波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间，是光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区域。虽然早在上世纪20年代就有人对太赫兹辐射产生了浓厚的兴趣，但其产生和探测技术与十分成熟的微波、光学技术相比仍然十分落后，苦于未能找到具有高能量、高效率、低造价、且能在室温下稳定运转的太赫兹波辐射源，所以在上世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波特性知之甚少，形成了远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空隙”。由于物质在太赫兹波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，并且太赫兹波辐射源与传统光源相比，具有相干性、低能性、高穿透性等独特、优异的特性，与太赫兹辐射相关的太赫兹波技术逐渐成为国际研究的热点。它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。目前，包括美国、西欧和日本等发达国家在内的世界各国都对太赫兹波技术的研究给予高度的重视，投入了大量的人力和物力，陆续开展了与各自领域相关的太赫兹波技术的研究。研制出高灵敏度、高分辨率且能在室温下稳定运转太赫兹探测器，并能将其方便、灵活地运用于科研工作和实际生活中，已经成为21世纪科研工作者追求的目标和迫切需要解决的实际问题。

另外，非致冷太赫兹成像技术和红外成像技术近年来得到了越来越多的关注。双材料微梁阵列组成的红外焦平面阵列(FPA)构成了光机械式非致冷红外探测器的核心，吸收的红外幅射引起微梁温度变化，由于双材料热膨胀系数的不同导致微梁的相应偏转。这个偏转变形可以通过电容，压阻，光学等方式读出。在这些方法中，光学方法不需要在每个像素上制作微电子电路，从而比电学读出方式有更好的热隔离效果，更低的热噪声和更简单的微制作工艺。

光机械式红外探测器中目前使用的光学读出系统有以下几种：

1）AFM光学读出系统和CCD直接读出系统：它只使用了一个悬臂粱作为探测器单元．在读出物体热像时需要进行扫描。而悬臂梁单元对热信号的响应时间长，在扫描整个阵列的时候需要较长的时间，无法实时观察。在CCD直接读出方式中，微悬臂梁转角的变化被直接转变为CCD上反射光点的位移，各个微梁像素反光点之间容易发生干扰，从而降低图像质量，并且该方法的精度受到CCD像素尺寸的限制。

2)光学干涉式读出系统：光学干涉方法测量精度典型精度为波长的1／10到1／100。但是干涉测量的抗震性差，要求系统工作在稳定的有良好隔振性的环境中．这样制作的成像器件只能工作在实验室条件下，无法应用于实际领域。最好的隔震方式是将干涉部分集成在探测器上，但是这样大大提高了探测器的设计和工艺难度。并且，现有的光机械式红外探测器中采用的干涉方法得到的光强信号是微悬臂梁单元离面位移的余弦(正弦)函数，离面位移每改变半个波长的距离时，得到的光强信号一致，使得光学系统只能测量半个波长范围内的离面位移。

3）针孔滤波系统：针孔滤波方式探测微悬臂梁的转角，可以兼有高灵敏度和无需隔震的优点。但是目前Nikon所使用的该系统光学读出系统探测灵敏度的提高是通过减小其核心单元一光学滤波孔的孔径来实现。在这种情况下，当孔径缩小到某一值时，光学滤波孔的Airy斑会使接收到的微悬臂梁探测器单元的像彼此之间交叠。得到的信息由于相互“混叠”，已不能真实地反映被测物体的温度分布。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种测量精度高、小型化的纳米级微位移光杠杆激光测量系统。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型由弹簧-质量块-阻尼系统、位移检测系统和电控和信号处理系统组成，所述的弹簧-质量块-阻尼系统包括由矩形钢片构成的悬臂梁，悬臂梁一端连接质量块，所述的质量块上粘结平面镜A；所述的位移检测系统包括光源、光杠杆和光电探测器，所述的光杠杆由两个等长的平行设置的平面镜A和平面镜A＇组成，平面镜A＇固定在二维调节支架上。

所述的质量块为铝块。

所述的光电探测器采用半导体光电位置敏感器件。

所述的二维调节支架包括底板，底板上设置L型契型支架和契型支架；所述L型契型支架的底边上设置顶丝，顶丝的另一端连接契型支架；所述L型契型支架的楔形边上设置梯形滑轨，契型支架滑动设置在梯形滑轨中。

采用上述技术方案的本实用新型，用一对等长的平面反射镜组A和A′代替传统光杠杆原理中的一面平面镜，显著地增加光束的反射次数，增大了光束角度变化量，从而可以提高系统的测量精度。试验中，系统测量精度理论分辨率为4nm，实验测得分辨率小于10nm。实验结果表明，该系统适用范围广、灵敏度高、重复性好和结构简单，便于构成微电机系统(MEMS)。

附图说明

图1为本实用新型中的弹簧-质量块-阻尼系统结构图。

图2为本实用新型中位移检测系统的结构图。

图3为本实用新型中二维调节支架的结构图。

具体实施方式

本实用新型由弹簧-质量块-阻尼系统、位移检测系统和电控和信号处理系统组成。

如图1所示，上述的弹簧-质量块-阻尼系统采用悬臂梁式的弹簧-质量块结构，模型系统中矩形钢片构成悬臂梁1，悬臂梁1一端固定在底板上的支架上，另一端是自由端，粘贴质量块2，质量块2为铝块。质量块2上粘结平面镜A3。平面镜A3同时还是位移检测系统的一部分。

如图2所示，上述的位移检测系统包括光源4、光杠杆和光电探测器6，上述的光杠杆由两个等长的平行设置的平面镜A3和平面镜A＇5组成，其中，光杠杆中的平面镜A3粘附在质量块2上，平面镜A＇5固定在二维调节支架7上，二维调节支架7具有调整平面镜A＇5仰俯角、X、Y方向位置的功能。上述的二维调节支架7包括底板8，底板8上设置L型契型支架9和契型支架15；L型契型支架9的底边上通过第一螺丝10、第二螺丝12、第三螺丝13连接顶丝11，顶丝11的另一端连接契型支架15。L型契型支架9的楔形边上设置梯形滑轨14，契型支架15滑动设置在梯形滑轨14中，平面镜A＇5固定在契型支架15上。

需要说明的是，上述的光电探测器6采用浙江大学富通仪器公司生产的梳状结构一维半导体光电位置敏感器件PSD。上述的信号处理系统主要是PSD的信号处理、输出电路，它们均为本领域普通技术人员所熟知的技术。

Claims

1.一种纳米级微位移光杠杆激光测量系统，它由弹簧-质量块-阻尼系统、位移检测系统和电控和信号处理系统组成，其特征在于：所述的弹簧-质量块-阻尼系统包括由矩形钢片构成的悬臂梁（1），悬臂梁（1）一端连接质量块（2），所述的质量块上粘结平面镜A（3）；所述的位移检测系统包括光源（4）、光杠杆和光电探测器（6），所述的光杠杆由两个等长的平行设置的平面镜A（3）和平面镜A＇（5）组成，平面镜A＇（5）固定在二维调节支架（7）上。

2.根据权利要求1所述的纳米级微位移光杠杆激光测量系统，其特征在于：所述的质量块为铝块。

3.根据权利要求1所述的纳米级微位移光杠杆激光测量系统，其特征在于：所述的光电探测器（6）采用半导体光电位置敏感器件。

4.根据权利要求1所述的纳米级微位移光杠杆激光测量系统，其特征在于：所述的二维调节支架（7）包括底板（8），底板（8）上设置L型契型支架（9）和契型支架（15）；所述L型契型支架（9）的底边上设置顶丝（11），顶丝（11）的另一端连接契型支架（15）；所述L型契型支架（9）的楔形边上设置梯形滑轨（14），契型支架（15）滑动设置在梯形滑轨（14）中。