[发明专利]一种基于光纤传感的扫描探针表面测量系统和测量方法

权利要求书

1.一种基于光纤传感的扫描探针表面测量系统，其特征在于，包括：

光纤位移传感单元，包括发射光纤和接收光纤，用于检测发射光纤入射到接收光纤的光功率，并将所述光功率转换成电信号输入到系统控制单元；

光纤对准单元，用于依据系统控制单元的监视对发射光纤和接收光纤进行轴对准；

微悬臂探针单元，包括带测头微探针，所述带测头微探针包括：弹性微悬臂、分别与弹性微悬臂的一端垂直连接的微平板测头和微探针，所述微平板测头位于发射光纤和接收光纤之间；所述微悬臂探针单元用于依据系统控制单元的控制，通过改变弹性微悬臂的位置或弹性形变，调整微探针在样品表面上的位置，并带动微平板测头产生垂直位移，改变入射到接收光纤的光功率；

三维扫描单元，用于依据系统控制单元的控制，使样品做三维移动扫描；

系统控制单元，用于对光纤对准单元的轴对准操作、微探针和三维扫描单元的运动进行监视或控制，并对接收到的电信号和微探针在样品表面上的位置进行数据处理，获得样品的表面结构。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤位移传感单元还包括：

激光光源，用于输出光；

光纤准直器，用于通过对激光光源输出的光束进行整形，耦合到发射光纤中；

光电探测器，用于通过对接收光纤输出的光进行光电转换，产生相应的电压；

A/D采集卡，用于采集光电探测器输出的电压，并通过A/D转换将得到的电信号输入到系统控制单元。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤对准单元包括：

五维对准台，用于固定光纤位移传感单元的发射光纤，以及通过调节发射光纤的出光端面的位置对发射光纤和接收光纤进行轴对准；

光纤固定架，用于固定光纤位移传感单元的接收光纤；

显微摄像头，用于对发射光纤的出光端面和接收光纤的入光端面进行拍摄；

视频采集卡，用于采集显微摄像头拍摄到的视频信号，并将所述视频信号传输至系统控制单元。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微悬臂探针单元还包括：

信号发生器，用于依据系统控制单元的控制，向高频压电块输出驱动信号；

高频压电块，用于根据所述驱动信号产生伸缩位移或者按照预置频率、幅值进行振动；

则所述弹性微悬臂的另一端固定于高频压电块上，弹性微悬臂依据高频压电块的运动带动微探针产生垂直位移。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述弹性微悬臂根据微探针的垂直位移带动微平板测头相对于发射光纤的出光端面和接收光纤的入光端面进行无接触垂直移动；

所述微平板测头的顶端的初始位置位于发射光纤和接收光纤的轴线上。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三维扫描单元包括：

三维扫描台，用于固定待测量样品，并根据驱动电压带动样品在空间X、Y、Z三个方向做平移扫描；

高压稳压源，用于依据系统控制单元的控制向三维扫描台输出驱动电压，驱动三维扫描台进行运动。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统控制单元包括：

系统控制接口，用于向信号发生器和高压稳压源输出工控机的控制信号，以及接收A/D采集卡的电信号和视频采集卡的视频信号；

监视器，用于对发射光纤的出光端面和接收光纤的入光端面进行可视化监视；

工控机，用于产生控制信号，以及对接收到的电信号、微探针产生的垂直位移和样品的平面扫描位置进行数据处理，获得样品的表面结构。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述测量系统的工作模式包括：接触式、非接触式和轻敲式。