[实用新型]一种基于光纤干涉原理的纳米测量机测头

说明书

技术领域

本实用新型涉及基于光纤干涉原理的纳米测量机测头，属于纳米测量机研究和应用领域。主要应用于作为大范围扫描的纳米测量机的传感器，该系统还可以实现纳米测量机大扫描范围的定位作用。

背景技术

随着纳米技术的发展，人们越来越需要测量和操纵很小的部件。以扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针技术的出现适应了这个要求。但是，由于压电陶瓷自身特性的限制，使得仪器的扫描范围不能做的很大，最大不过几百μm，这大大限制了扫描探针技术的应用范围。德国Ilmenau技术大学的过程测量和传感技术研究所和SIOS公司利用微型激光干涉仪实现了一种高精度大范围的定位测量仪器——纳米测量机(NMM)，通过配合不同类型的传感测头，实现不同方式的测量。

目前，国外在纳米测量方法、仪器和系统的开发及校准方面均走在了国内前面。现有的商业化原子力测头均为国外所有，而直接从国外进口标定完成的测头不仅很难跟现有的纳米测量机相结合，而且测试校准的费用也是很贵的。因此，需要开发具备自主知识产权的测头测试和校准系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种带有探针夹持器的的纳米测量机测头，为研究纳米测量机在大范围实现扫描提供传感信号和开始扫描时的定位信号。

本实用新型的目的是这样实现的：一种基于光纤干涉原理的纳米测量机测头，包括压电扫描管、探针夹持器、悬臂梁探针以及由分束镜和光纤构成的斐索干涉仪，探针夹持器固定在压电扫描管的底端，其上设置有弹簧夹、凹槽、螺纹孔和窗口，探针置于凹槽内，弹簧夹的一端通过螺纹孔固定在探针夹持器上，另一端夹持探针，分束镜固定在窗口上，光纤、分束镜、探针表面依次设在在一条光路，激光光源发射的激光经过光纤传输、打在分束镜后，分为反射光束和透射光束，透射光束打在微悬臂梁背面的反射表面上后反射的光束经过分束镜后与先前的反射光束相干涉，干涉信号经过光纤输出后通过光电二极管转换，进入后续处理电路进行信号采集，从而获得样品表面的形貌信息。

采用本实用新型的纳米测量机系统，由于测头只作为零点传感器，光信号精度高的特点为纳米测量机提供了高精度的样品表面形貌特征信号，从而使得纳米测量机实现了大范围、高精度的扫描，而选用光纤传光从而简化干涉仪的结构；特有的探针夹持器，可以使用实验室现有的探针；放大电路中选用了美信新出产的放大芯片，专门用于放大光电二极管输出的电流，并将其转换为电压，提高了电路的性能。

附图说明

图1是本实用新型基于光纤干涉的方法的纳米测量机测头的探针夹持器结构；

图2是本实用新型基于光纤干涉的方法的纳米测量机测头的系统结构框图；

图3是本实用新型基于光纤干涉的方法的纳米测量机的测头的光路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详述。

参见图，基于光纤干涉的方法的纳米测量机测头的探针夹持器4的结构如图1所示。图1中1为固定弹簧夹的螺纹孔，2处为一凹槽，用于放置探针；弹簧夹的一端被用螺母固定在1处，另一端在2处夹持探针；3处开设一个窗口，用来放置分束镜。整个测头的结构如图2所示。探针夹持器4固定在测头内的压电扫描管5的底端。光纤7设置在压电扫描管5内。由光纤7和分束镜3构成斐索干涉仪。

AFM探针在扫描过程中由于受力变化引起的悬臂梁探针的角度变化，即位移变化。采用光纤干涉法对这一位移信号进行检测(如图3所示)，其过程是由激光器发出的激光束a经光纤7传输，打在分束镜3上，分为反射光束a’和透射光束b。光束b打在探针表面(也可称为微悬臂梁背面)6的反射表面上，反射光束b’经过分束镜3后与先前的反射光束a’相干涉。微悬臂梁随着样品表面的凹凸而偏离，检测干涉信号的变化，表征探针位移的干涉信号被输出光纤7接收通过光电二极管将光信号转换成电流信号，

光电二极管输出的电流信号非常微弱，容易受到周围环境的影响，因此，需要设计专用的信号采集电路，主要包括信号调理，信号采集、处理，与上位机通讯等部分。放大电路部分主要采用了放大芯片OPA380将光电流放大转换为可被后续电路处理的电压信号。整个电路处理系统以DSP为核心，放大转换后的电流信号可进入模数转换或者将某一固定位移下的输出电压反馈给纳米测量机控制单元；转换后的数据可存放在外部RAM中，系统通过RS232串口将采集到的数据传往计算机，通过计算机校准和测量软件可以对数据进行自动处理和保存。