[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

说明书

技术领域

本发明涉及表面检测技术领域，特别是涉及一种基于光纤传感的扫描探针表面测量系统及其测量方法。

背景技术

电子产品的高集成度与高性能化发展趋势以及微机电系统(MicroElectro Mechanical Systems，MEMS)技术与应用发展，对超精表面及微结构检测提出了越来越高的要求，从而带动了超精表面微纳测量技术的迅速发展。目前，微纳测量技术可分为接触式与非接触式两类，接触检测方法包括电感式、压电式、光电式等，非接触检测方法包括光学法、电子法等。常用的超精表面测量方法包括传统的光学干涉测量、扫描探针测量、电容位移测量、扫描电镜测量等。

目前的光学测量方法对于粗糙度检测已能达到埃级分辨率，如激光干涉法、椭偏法、散射法等。但是，由于受瑞利衍射极限限制，光学检测系统的横向分辨率限制了横向纳米量级分辨率的超精表面检测。

此外，扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)与原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)对表面检测的纵向、横向分辨率都能达到纳米级精度，但是，其系统的组成、结构非常复杂、价格昂贵，测量范围较小，一般只有几个微米到几十个微米，并且对测量环境等要求非常高；同时，利用扫描隧道显微镜只能观察导电样品。

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提供一种样品表面测量方案，系统结构简单，并且在保证测量范围的同时，实现高分辨率的超精表面的检测需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光纤传感的扫描探针表面测量系统及其测量方法，该测量系统结构简单，并且可以实现高分辨率、大范围超精表面的检测。

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于光纤传感的扫描探针表面测量系统，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。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，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；