（测试计量技术及仪器专业论文）基于斐索干涉仪的纳米测量机测头的开发.pdf

摘要 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 显徼镜( s t m ) 和原子力显微镜( a f m ) 为代表的扫描探针技术的出现适应了这个要 求。但是，由于用作扫描器的材料压电陶瓷自身特性的限制，使得仪器的扫 描范围不能做得很大，一般不超过几百m ，这大大限制了扫描探针技术的应用 范围。因此，能实现大范围、高精度移动和定位的纳米测量机将是未来微纳领 域不可或缺的工具。 纳米测量机主要由定位平台和测头两部分组成，通过配合不同类型的传感测 头，实现不同方式的测量。本文以现有德国s i s ( s u r f a c ei m a g i n gs y s t e m ) 测头 为对象，基于一种新型的纳米测量和定位机( n a n o m e a s u r i n gm a c h i n e ) 平台， 研究和开发一种基于斐索干涉仪的纳米测量机测头。根据测头信号检测的要求， 设计了信号处理，采集电路以及上位机软件。 本论文的具体工作包括： ( 1 ) 设计测头的机械部分，包括压电陶瓷管的选择；探针夹持器的设计， 探针的选用。 ( 2 ) 基于光纤干涉法的斐索干涉仪光路的设计与搭建。包括激光器、光纤、 分束镜的选择，微悬臂梁位移与光信号变化的关系的分析计算。 ( 3 ) 光电转换器件的选择及光电信号的处理电路的设计与调试，包括前置 放大电路和信号采集电路的设计，上位机显示。 ( 4 ) 利用对压电陶瓷的伸长量进行测量，分析干涉仪的性能，从而确定测头 可达到的精度。 关键词：纳米坐标测量机斐索干涉仪接触式测头光电转换 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to f n a n o t e c h n o l o g ya n dm e m s ( mi c r o e l e c t r o n i cm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ) t e c h n o l o g y ，t i n yo b j e c t sn e e dt ob eh a n d l e do ra s s e m b l e d t h es c a n n i n g p r o b et e c h n o l o g y ，w h i c ha p p e a r sa ss c a n n i n gt u n n e lm i c r o s c o p e ( s t m ) a n da t o m f o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) m e e t st h en e e da b o v e h o w e v e r o f t h ep z ts c a n n e ru s e di n s p ml i m i t st h es c a n n i n gr a n g e ，s ot h es c a n n i n gp r o b et e c h n o l o g yc a nn o tb eu s e di n l a r g es c a l em e a s u r e m e n t t h en a n o - m e a s u r i n gm a c h i n ew h i c hr e a l i z e sd i s p l a c e m e n t a n d p o s i t i o n i n gw i t hw i d er a n g ea n dh i g hp r e c i s i o nb e c o m e s n e c e s s a r yi nm i c r o n a n o m e a s u r e m e n ta n d m e t r o l o g y t h en a n o c m mi sc o m p o s e do fp o s i t i o n i n gp l a t f o r ma n dp r o b e 。a n dt e a l i z e s d i f f e r e n tm o d eo fm e a s u r e m e n tb y m o u n t i n gd i f f e r e n tt y p eo fp r o b e s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，c o m p a r e d w i t ht h ee x i s ts i s p r o b e ，ap r o b eb a s e do nf i z e a u i n t e r f e r o m e t e ri sd e v e l o p e db yu s i n go fan e wt y p eo fn a n op o s i t i o n i n ga n dn a n o m e a s u r i n gm a c h i n e ( n m m ) p l a t f o r m s i g n a lc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i th a s b e e nd e s i g n e da n dt e s t e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f t h e p r o b e t h em a i nc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： ( 1 ) t h em e c h a n i c a lp a r t sd e s i g no ft h ep r o b ei n c l u d i n gs e l e c t i o no fp z t , m i c r o c a n t i l e v e ra n dp r o b eh o l d e rd e s i g n ( 2 ) l i g h tp a t hd e s i g ni n c l u d i n gs e l e c t i o no fl a s e rs o u r c e ，f i b e ra n dl i g h ts p l i t t i n g m i r r o r ；s i g n a la n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o nb e t w e e nm i r o c a n t i l e v e rd i s p l a c e m e n t a n dli g h ts i g n a lc h a n g e ( 3 ) s e l e c tp h o t o e l e c t r i c a lc o n v e r s i o n ，d e s i g ns i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta n d d e b u g ， s h o wr e s u l to nc o m p u t e r ( 4 ) a n a l y z ec h a r a c t e r i s t i co fi n t e r f e r o m e t e rb ym e a s u r i n gt h el e n g t ho fp z t , s o t h a tk n o wt h ea c c u r a c yo f p r o b e k e yw o l m s ：n a n o 。m e a s u r i n g m a c h i n e ，f i z e a ui n t e r f e r o m e t e r , c o n t a c t p r o b e p h o t o e l e c t r i c a lc o n v e r s i o n ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丁甬确 签字日期：加0 7 年 7 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： j 而丽 签字日期：为叼年7 月岱日 聊龇。帮蝴 签字脚碉年夕月乃日 第一章绪论 纳米洲置机( n m m ) 通过配台币m 娄p 的 媾删生，豇眦小h h 式的测昂，小 学从纳米测量机发，片先说l 删了课题的求溯、 i j 咒的u 的厦意义然肝埘小课 题的f 研究对象纳米测量机的测又进行概进乜括结构、l 。怍味州；最后 提出r 夺课题登做的主要上作， 1 1 纳米测量机介绍 随着纳米技术的发展，人们越来越斋要测特羽j 操纵微小的部件以扫捕隧道 显微镜( s t m ) 和原予力显微镜( a f m ) ：i j 代表的扣描探引技术的出现适心r 这个要 求。f h 是，l 十用作 i i j 器的材料压电陶瓷自身特性的阻制使得仪器的引 描范围小能做得根人最人小过几nu m ，返大大限制r 扫描探针挫术的应用范 阐。同外竹多研究机构部扯致力r 夫范m 离精度测世仪器的什笈其中，德凼 i l m c n a u 技术大学的过程测量和传感技术研究所 h s i o s 公卅利h j 微型激光l 涉仪 尘蜕，种高精度人范同的定位测量仪器纳术测量机( n m m ) 通过配合不 问类型的传感测头，实现不同方式的测量f 结构见| 冬| 】一i ) 。 阁i i ：机械州光学系统裟配圈 陵仪器乜折删头和测量机两部分，通过住纳米测艟机r 配合不l 刊i 炎型的传堪 洲三l 吱m 小h 方武的删蕾可宜耽2 5m m 2 5 r a m x5 m m 范厅l 内的高辅度测毓。 n m m 的 耍f r 务足对被测样品丧进乱_ 纳米绂轱j 旦们测埘年定位。删又和 感采统址纳水删世机帕关键元件，朴 掘删毓f f 务一以选扦并种触觉和光学传感 第一章绪论 器以及测量方法。因此，仪器设计了各种机械，电子和软件接口，便于实现广泛 的应用。 1 2 纳米测量机测头概述 纳米测量机的主要任务是对被测样品进行精确分析，为了达到这个目的，测 头和传感器系统是必不可少的。根据不同的测试要求和被测物性质，纳米坐标测 量机需要和不同的测头结合起来完成不同的测量任务。目前，典型的测头主要有 光学式测头、微触觉式测头、原子力测头等，它们的具体结构和工作原理介绍如 下。 一、光学式测头 随着激光检测技术和c c d 视频应用技术的发展，以光学检测手段为基础的测 7 头得到了广泛的应用。光学测量手段包括计算机视觉技术、显微干涉技术、聚焦 式测量技术等【2 】。通常，采用计算机视觉技术测量器件的平面运动特征，采用显 微干涉技术测量器件的离面运动特征【3 1 。目前，国外对光学式纳米测虽机测头的 研究成果包括聚焦式测头1 4 1 、基于光学传感器的纳米探针f 5 】、激光捕获和m i r a u 干涉仪探针系纠6 】等。下面以聚焦式测头为例，介绍其结构和工作原理。 图1 - 2 聚焦式测头原理图 聚焦法采用自动调焦的激光束对c d 盘上所压制的数字音乐信号进行非接触 式扫划2 1 ，聚焦式测头的原理如图1 2 所示。从激光二极管发出的光线被栅格极 化，通过偏振分光器和l 4 九波片后，被聚焦在物体上，光电直径约为1 岬，距离 传感器约为2 m m 。在激光头的最原始的结构中，物镜由一个音幽马达驱动。反 射光的信号成像在光电检测器上，其输出提供了一个离焦信号，在这里离焦信号 2 被定义为 小川斤m 聚焦、i7 i f i l 的内l ；和外部现椭圆膨时俺置信号这个f 矗弓 经过运 被j 、剌补偿处川，叫五锁推动占嘲一5 丛将物镜报刮破删物体町以庄聚 熊n 扪l 。帕仃嚣，边到锁n 的f i 的，小雁行 ，高焦愤呼川水拄制l 坐镜头的化 置使光线的mj 。i 审】微测物体表卣侏持敛。叫为剐r ia 返个洲头j ：训对浆娥范内 的信lw 此t 斟马逃址吲定的： 实验让小，避j 仕川甜f l ：- q ；瓴革树脂性物镜j f j 时稳定f j i 柯2 5 n m 的变化j 测量的线悱扎l 制约为3 0 b m 。通址功率监视器的反馈信号和自动功率控制l u 蹄防 止激光一极管的温漂，可使激j 匕一极管叫个小时丁作h 问的输八电爪坐化保竹 o0 3 v ，和1 0 m ( 1 q 测量池嗣内洲 i 线性鹾筹为i ，标准偏茇山3 4 r i m | 4 i 。 通过对聚焦式测头进= i = 定的机械取l i b 7 1 改装，样u n l 蜜装卉纳米测是机 l 任川( i - qi 一3 ) ，需蟹汀盎的星血利f f j 聚纯，t 删头进行删城i 讥婪刘典输m 特性进行授准，向0 的输m 特忡与接触式测头小，接触式删又的输出校准曲 线是标准线性的向糍熊式洲头输出的信号足非标玳的【 ，一 目 纳搬删i d i c c d - m ： ，、微触觉j 测头“。i 随酋m e m s 的发胜相辅膏机械j j ul 水、r 的捉师，近两印外h l 现r 对丛j 传统k 枷、洲靛机删奠的微触觉测盟的研究，r 笈。这类研究十要咀定得物胖效应 ( 蠊阻，i u 择) 为甚础征过仿真和i i 芽建屯f 感器栈型利川m e m sj 艺制作 忙群嚣外台测轩羽l 测端球超精解机械j j ul 挫术， 发儿仃小体私! 、，南精度、岛 灵敏度的微触觉测又和针埘洲，、的洲试枝 f i | 系统。这玎巾j 的i 什。l 德的联邝物 理研究所和村j e i n d h o v e n 人学为代嵌。r 面以联邦物雕”究所时薄脾测头为例 介绍j c 结f i 秆li 作j 甄邪， 德州的联邦物刖研咒院研制r种j j 。m e m si 艺的硅材料微掣：维接触 式；划头其结构枷h1 4 目7 , 1 i ，整个测奠结 j i h f , i ：啦和测柯组成 臌i ：沉秘的 j 1 、il l 址敞感斗元测嫡，m 为小球j b 状。锕4 托f i q 端部蹙到外山作i i f ，将导破州 艘变肥通过硅腆l ：的j i , 1 ：l l 变化柠测洲失端爿：的俯穆利山的人小。 斟i 4p t b 微触觉删头纠构 为r 刈设计的测头进行删甙和校准采川了如| 錾1i - 5 所示的删头段准7 j 粜干门 系统， 图j 5 校水采统结构 采缝i 1 1 个粕动r fr 挺供人北i h 琏动、r _ 打的运动琏废m 定，移动范【目为 第一章绪论 2 5 m m 2 5 m m 1 3 m m ，最小运动增量0 2 1 t m 。另一个有很高分辨力和动态特性 的精确定位平台放置在粗动平台的上面，提供微动。精确定位平台由电容测微仪 和压电驱动器组成，在三个方向可以提供8 0 i n n 的运动范围，定位重复性小于 5 n m 。三轴激光干涉仪计量系统用来测量平台的运动情况，分辨力为1 n m 。整个 校准系统放置在一个气浮大理石平台上，可以抑制高频噪音，减少环境扰动。测 头的端部位于三个激光干涉仪的交点处，可以避免阿贝误差。激光干涉仪可以提 供2 m h z 的快速数据传输模式。 校准系统的控制原理如图1 6 所示，利用计算机驱动定位平台和分析数据。 激光干涉仪的位置信号输入通过一个5 k h z 的触发信号进行提取，测头信号经过 放大，然后利用1 6 位a i d 采集两者输出信号。一个1 6 位i o 卡板载3 2 m b 存储 器用来存储干涉仪的数据，1 6 位a d 的片载8 k 存储器用来存储传感器的输出信 号。校准后得到的探针最大偏转，x y 方向为7 n m ，z 方向为2 7 n m 。 图1 6 校准系统控制原理图 三、基于光纤干涉法的原子力显微镜测头 a f m 测头的主要部分是一个固定在小悬臂梁末端的金字塔形状的由硅制作 的针尖( 见图1 7 ) 。针尖在悬臂梁方向的角度大约是5 0 。- 6 0 0 ，横向角度大约是 4 0 5 0 0 。可以获得半径小于1 0 n m 的针尖。针尖高度在1 0 u r n 1 5 u m 。悬臂梁的 形状和尺寸取决于操作模式。对接触摸式来说，典型尺寸是：长4 5 0 u m ，宽5 0 u m ， 厚2 u m 。除此之外，可以在背面应用一层反射表面，对入射光束进行反射。 讹羊绪硷 图i 7 带畦引尖的a f m 悬臂粱( 来源：n a n o s e n s o r s t a f m 的j 作原理简述如f ：利用纳米级的探钊吲定在可灵敏操控的微米级 尺度的弹性悬臂粱j ：。假设两个纽原子中个组足在悬臂粱( c a n t i l e v e r ) 的探 针尖端，另个组在样本的表而它们之问的怍川力会随距离的改变而变化。1 1 原f 原了微接近酬，彼此1 u 千云斥力的作用人下原予核与j u 子蛋之删的吸引j 作用所以整个台力表现为斥力的作j 反2 若曲原于分丌肯定距离时，其乜 f 云斥力的作川小于彼此原于核2 j 也f 云之唰的吸 i 力作片 故端个台力发现为 引力的作丌 。当针尖很靠近样品时羹顶端的原子与样品表面原千问的作用力会 使悬臂粱弯曲偏离原柬的位置。根据扫描样品时探针偏离节或萁它反馈疑重建 三维俐像就能间接获得样品表i j i i 的形貌图。 二j 前，山f 光纤具有良好的传光性能，时光的损耗极低加之光纤传输光信 号的频带非常宽，光纤技术同趋成熟2j 。此外由r 光纤具有接u 方便的优点1 1 ”， 为测头纳米测带机的连接提供了便利。已有的s i s 翊, 快就是利用了光纤十涉技 术制成的其结构如州i 一8 所示。 图i 8s i s 描豳：i 样2 株针，3 底座4 外先 测头起转感作用， 址1 6 奇：的i 矧卜9 为 输出的探测信号送入s i s 控制器，该控制器的数字信号都 _ r 1 j 罔卜9 有x y 1 拙白晌s i s 测头系统连接| 亳| 第章绪论 a 计算机( p c ) 4 干涉仪的光波导 b 控制器后面板 5 x y 扫描装置主连接接头 cx y 扫描电路6 x y 扫描台的连接电缆 d线形电路 7 静电场电极( 可选) e 系统部件 8x y 扫描台 f 测头 9手动x y 滑动台 g 高度调整驱动马达 10 地 l u s b 线 ii 样品台地( 静电场电极) 2 l v - x l v - y 信号线 1 2 高度驱动导向 3c p v ( c a n t il e v e r - p i e z o v o l t a g e ) 压 1 3 控制面板的主连接口 电陶瓷驱动电压 纳米测量机配合该测头可实现图1 1 0 四种测量模式： 图1 1 0驱动系统和测头系统可能的排布方式 实验证明第四种模式下的扫描精度最高。 1 3 本文的意义及主要工作 一、本文的意义 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，而且维护及测试校准十分昂贵。因此， 需要开发具备自主知识产权的测头测试和校准系统。压阻微触觉式测头测量速度 慢，能够测量的结构受到测端球直径的限制。光学聚焦式测头的测量精度受被测 器件表面光学特性影响较大，测量范围识别和修补困难。而a f m 探针这种测试 第1 章绪论 技术很成熟，测试性能优异，可测试纳米级三维表面信息，分辨率高，故研究开 发利用a f m 探针的测头具有重要的意义。 二、本文的主要工作 针对上述现状，本文针对现有s i s 测头为对象，研究和开发一种基于光纤干 涉法的a f m 测头。具体工作包括： l 、设计测头的机械部分，包括压电陶瓷管的选择；探针夹持器的设计，探针的 选用。 2 、基于光纤干涉法的光路的搭建。包括分束镜的选择，研究微悬臂梁位移与光 信号变化的关系。 3 、对光电二极管和压电陶瓷特性进行测试，从而分析压电陶瓷对输出信号的影 响。 4 、光电转换器件的选择及光电信号的处理电路的设计与调试，包括前置放大电 路和信号采集电路的设计。 9 第_ 章基于t 涉法的纳米测晕机测头理论分析及方案设计 第二章基于干涉法的纳米测量机测头理论分析及方案设计 由于光信号具有比其它传感信号灵敏度、分辨率高的优势，随着激光和光纤 技术的发展，利用光信号表征微小物理量的方法得到了广泛的应用1 1 4 】。本测头基 于光纤干涉技术完成设计。本章基于干涉原理给出测头的完整设计方案，推导了 微悬臂梁位移与光干涉信号变化之间的定量关系，并详细介绍了测头的各个组成 部分。 2 1 测头总体设计 基于光纤干涉法的纳米测量机测头的总体设计如图2 1 所示，它包括压电 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。激光 发射的入射光经斐索干涉仪处理后输出干涉信号，进入后续的电路进行处理。下 面几节将对各部分进行详细的介绍。 图2 1 测头的总体设计 1 0 第：章基于干涉法的纳米测帚机测头理论分析及方案设计 2 2 基于斐索干涉仪的光路设计 测头的光路设计是比较关键和复杂的部分。它的主要结构是由激光器、光 纤和分束镜构成的斐索干涉仪。下面就斐索干涉仪的原理以及光路的各个组成部 分分别进行介绍。 2 2 1 激光光源 激光作为一种新型光源产生于本世纪6 0 年代初。它具有单色性、方向性和 相干性好，辐射密度高，很强的光脉冲或连续辐射等特点。目前广泛应用于国防、 生产和科研等各个领域1 15 1 。 2 2 1 1 激光器分类 对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，可以分为固体 激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。另外，根据激光输出方式的 不同又可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大， 还可以按发光的频率和发光功率大小分类【l6 1 。 l 、固体激光器 一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这 种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子， 除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石( y a g ) 晶体中掺入三 价钕离子的激光器，它发射1 0 6 0 n m 的近红外激光。固体激光器一般连续功率可 达1 0 0 w 以上，脉冲峰值功率可达1 0 9 w ( 两个瓦数是否太接近了? ) 。 2 、气体激光器 气体激光器具有结构简单、造价低：操作方便；工作介质均匀，光束质量好； 以及能长时间较稳定地连续工作的优点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类 激光器，占有市场达6 0 左右。其中，氦一氖激光器是晟常用的一种。 3 、半导体激光器 半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光 器，发射8 4 0 n m 的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方 式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固， 特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在7 0 年代末期，由于光纤通讯和光盘 技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。 4 、液体激光器 第_ 章基于干涉法的纳米测帚机测头理论分析及方案设计 常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染 料溶于溶剂中( 乙醇、丙酮、水等) 中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同 染料可获得不同波长激光( 在可见光范围) 。染料激光器一般使用激光作泵浦源， 例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可 调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。 2 2 1 2 氦氖激光器 氦氖激光器是一种典型的原子气体激光器，也是人们最早研制成功而且目前 仍然是应用最广的一种气体激光器。工作物质为惰性气体氦( h e ) 与氖( n e ) 的混合 物，通常采用直流气体放电进行激励，其中氦原子起能量转移作用，而氖原子起 粒子数反转和发射激光的作用，通常输出为6 3 2 8a 的红色可见激光，也可制成 近红外波段的激光输出，工作状态为连续运转。 氦氖激光器的主要优点是装置简单、成本低廉、操作简便、可长时间稳定运 转以及输出为单色性较好的可见激光等；其主要不足之处是连续输出的激光功率 水平较低( 通常在毫瓦量级) 。这种激光器主要用于激光准直、激光显示、精密 测量与计量标准、全息照相与激光通信等方面。值得提出的是由氦氖激光器产 生的6 3 2 8a 红光波长、光电光波等比长仪1 1 r l 。 本测头所用的激光光源即为氦氖激光器，波长为6 3 3 n m ，功率不超过1 5 m w 。 2 2 2 干涉仪原理 作为信息载体的光辐射源通过光学系统投射到被检测的物体上，利用被检测 物体对入射光辐射的反射、吸收、透射、干涉、散射等光学属性的不同，将被测 变量调制到光载波的特征参量上【1 引。这些参量可以是光通量的强度、频率、相位， 也可以是光波动的波振幅、光强、光频率、光相位、光偏振方向、光的传播方向。 光波的频率相同、振动方向相同和相位差恒定是能够产生干涉的必要条件【l 。满 足干涉条件的光波称为相干光波，相应的光源称为相干光源。两个普通的独立光 源发出的光波也不能满足干涉的条件。因此，要获得两个相干光波必须由同一光 源的微小区域( 发光点) 发出的光波，通过具体的干涉装置来获得两个相关联的 光波，它们相遇时才能产生干涉。在具体的干涉装置中，还必须满足两叠加光波 的光程差不超过光波的波列长度这一补充条件。各种光源发出的光波的波列长度 并不相同，氦氖激光的波列长度可达l07 k m l 2 。 常用的干涉装置为迈克尔逊干涉仪，其结构如图2 2 所示。激光经过分光镜b 后被分成两路，透射光射向动镜m 2 ，反射光射向参考镜m l 。两路光在观察屏p 处产生干涉条纹。用于长度测量的现代激光干涉仪，除了采用h r n e 激光器作 第_ 章基于干涉法的纳米测帚机测头理论分析及方案设计 光源外，就其光学结构而言，与迈克尔逊干涉仪并无明显区别。所以干涉仪在空 气中使用时的测长公式为： k = 2 n l 五 ( 2 1 ) 式中，三为被测长度，玎为空气折射率，a 为真空中的波长，| 为干涉条纹明暗变 化的数目。如果用光电接收器接收，则被测长度移动一定距离光电接收器输出 信号变化一个周期，记下信号变化的周期数，根据公式( 1 ) 就确定了被测长度工1 2 。 图2 2 迈克尔逊干涉仪捌量原理 2 2 3 斐索干涉仪设计 本课题采用同一激光光源，通过斐索干涉仪获得了两个相关联的光波，光程 差仅为纳米级，所以可以形成干涉。整个装置将光作为信号载体，并通过光纤来 传送信号。光纤、分束镜、探针表面依次设在一条光路，它们构成了菲索干涉仪， 如图2 3 。其工作原理为：由激光器发出的激光束1 经光纤传输，打在分束镜上， 分为反射光束1 1 和透射光束2 2 。光束2 打在微悬臂梁背面的反射表面上，反射 光束2 2 经过分光镜后与先前的反射光束1 1 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接收通过 光电转换元件将光信号转换成电信号。 第_ 二章基于t 涉法的纳米测是机测头理论分析及力案设计 光纤 分束镜 微悬臂梁 图2 3 斐索干涉原理图 干涉信号的变化反映为光功率的变化，微悬臂梁位移的变化即为光程差的变 化。光功率与光程差的关系为， p ：要【l + c o s ( 等纠 ( 2 - 2 ) 其中i 。为光程差，旯为波长。完全可以根据所接收到的光的强度推算出来变化的 位移量1 2 2 】。 由于该干涉仪用来测量在干涉场指定点上程差变化量，所以振动和温度变化 造成条纹的自发漂移最危险，这就必须对干涉仪的结构刚性，对它在使用时间内 两支光路保持恒温予以特别注意。在长度的绝对测量中，保持干涉仪整体及其各 个组件的恒温特别重要【2 3 1 。本测头装在零膨胀玻璃上，整个系统放置在气浮隔振 平台上，减小周围噪声对测量的影响，整个系统的建立和工作都是在纳米技术国 家重点实验室的超净环境下进行的，为干涉仪的正常工作和高精度测量提供了保 障【2 4 1 。 2 2 4 光纤的选择 斐索干涉仪中比较重要的一部分是用来传光的光纤。光纤是一种传输光的 细丝，它能够将进入光纤一端的光线传到光纤的另一端。通常，光纤是由两层光 学性质不同的材料组成，如图2 - 4 所示。光纤的中间部分是导光的纤心，纤心的 周围是包层。包层的折射率n ：略小于纤心的折射率r l 。，它们的相对折射率差a ( = 卜n ：n 。) 通常为0 0 0 5 - 0 1 4 0 。 1 4 第一章基于t 涉法的纳米测晕机测头理论分析及方案设计 图2 - 4 光纤的结构及传光原理 光纤传光的基础是光的全内反射。当光线以入射角秒进入光纤的端面时，在 端面处发生折射，设折射角为9 ，然后光线以痧角入射至纤心与包层的界面。 当角大于纤心与包层间的临界角龙时，即， 矽统= a r c s i n ( n 2 确) ( 2 3 ) 则射入的光线在光纤的界面上发生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次 反射，直至传播到另一端面。实际工作时，光纤可能弯曲，只要仍满足全反射定 律，光线仍继续前进。由于光纤具有一定柔软性，很容易使光线“转弯”，这给 传感器的设计带来了极大的方便。 光纤的一个重要参数是数值孔径。根据斯乃尔折射定律， n os i n 口= 一s i n0 = 伟c o s = 碍( 1 一s i n 2 矽) 2 ( 2 4 ) 设当矽达到临界角统时的入射角为口。，由式( 2 - 3 ) 和式( 2 - 4 ) 可得， s i n 晓= ( 2 - - 2 2 ) 2 ( 2 5 ) 式中，s i n 耽称为光纤的数值孔径，用n a 表示。它表示当入射光从折射率为 的外部介质进入光纤时，只有入射角小于口。的光才能在光纤中传播。否则，光线 会从包层中逸出而产生漏光。n a 是光纤的一个重要参数，n a 值越大，光源到光纤 的耦合效率越高。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产 的光纤的数值孔径不刚2 5 j 。 按光在光纤中的传输模式可分以下两种： ( 1 ) 多模光纤 中心玻璃芯较粗( 5 0 或6 2 5l am ) ，可传多种模式的光。但其模间色散 较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严 重。例如：6 0 0 m b k m 的光纤在2 k m 时则只有3 0 0 m b 的带宽了。因此， 多模光纤传输的距离就比较近，般只有几公里。 ( 2 ) 单模光纤： 第二章基于干涉法的纳米g i 量机滩头理论分析及方案设计 中心玻璃芯较细( 芯径一般为9 或1 0um ) ，只能传一种模式的光。因 此其模问色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用， 这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳 定性要好。 对比两种传输模式的用途及优缺点，本系统采用如图2 - 5 所示的单模光纤。 2 2 5 分束镜的选择 2 - 5 单模光纤 在利用干涉仪进行测量时，干涉图样的对比度是决定测量精度的基本要素之 一【蚓。对比度k 的定义见式2 - 8 。 k ：刍奉 ( 2 缶) 啡+ ，阿 ，一为产生干涉条纹的最大光强，岫为产生干涉条纹的最小光强。考虑到 干涉光束之一的剩余能量会遗成有害的亮背景，在设计和调整干涉仪时往往力 求以尽可能高的精度来使两支干涉光束的强度相等【蚓。根据分光率公式： r = ( 1 一r ) ( 1 一r )( 2 7 ) 通过上述理论计算可知r = 3 8 时，可使两支干涉光束强度相等。这样分光率 的分束镜需要特殊制作，成本较高。 我们用 。：生 ( 2 8 ) 来表示两个振动的强度之比，此时，表示合振动强度的公式为： j = + ，z + 2 西c o s 占= ( 1 + 砷+ 2 再c o s 巧 ( 2 - 9 ) 其中j 为两光波振动方向的夹角。由以上各式可得： x ：堡 月+ l ( 2 - 1 0 ) 在两个光束的强度之比n 为不同量值的情况下，所对应的对比度k 的量值如表 2 一l 所列唧。 第二章基于干涉法的纳米g i 最机测头理论分析及方案鞋计 从上述数据可以看出，当n ：5 时，对比度是好的( k = o7 5 ) ：而当n - 25 时 对比度仅降低约1 0 ( k = o9 ) ，这在实际上几乎是觉察不到的。同时由于剩余 能量参与干涉而造成的图样对比度降低，大大地小于同样强度的漫射光所造成的 对比度降低。冈此没有必要力求使两支干涉光束的光强精确地相等。市场上常用 的分柬镜为半透半反和透七反三两种。如使用半透半反的分束镜则 1 = 5 0 1 ，= ( 1 一r ) o 只) ，= 2 5 ， ( 2 - i i ) 如选用透气反三的分束镜，则， ，= 3 0 ，= ( 1 一胄) ( 1 一r ) l = 4 9 1 由于微悬臂粱背面的反光物质无法达到1 0 0 的反射率，故厶的值要小于上 述理论计算。根据表2 - i 中的数据，本测头选用透七反三的分柬镜可达要求。 2 , 26 压电陶瓷管的选择 本系统采用的是接收型压电陶瓷管( 如图2 - 6 所示) 购于上海海兹思光电 科技有限公司。极化电压：3 千伏毫米：规格：外径为71 咖，内径为55 舳t 长度为2 5 r a m ，极化温度为1 5 0 + 一2 撮氏度。该压电陶瓷管外壁涂有银制导电层r 刻有四个电极，在相对的两个曲面可以分别加上+ x 、一x 和+ y 、一y 的电压，就可 实现x 向，y 向扫描，在内外壁加上+ z 、一z 的电压就可实现z 向伸缩。 z y 图2 6 压电陶瓷管 第_ 章基于t 涉法的纳米测帚机测头理论分析及方案设计 2 3 光电器件选择 光路产生的干涉信号需通过光电器件转换为电信号，才可进行后续的电路处 理，因此需选用合适的光电转换器件。光电式传感器的种类繁多，对光电器件的 性能要求也1 i 尽相同。光纤传感器的光信号一般很弱，有的甚至只有纳瓦到微瓦 量级，对光电器件的灵敏度有着非常高的要求。由于硅材料制成的光电器件具有 暗电流小，温度系数小，制作工艺易于精确控制等优点，所以在编码器，激光接 收，特性识别和过程控制等方面得到广泛的应用1 2 引。其结构如图2 7 所示，入射 光照在光电接收面上，其等效电路如图2 - 7 所示。 咎；， 缏；： 入射光 ；i 图2 - 7 光电二极管示意图 图2 - 8 光电二极管等效电路 本测头选用的是航天集团科工三院8 3 5 8 研究所生产的光电二极管，其主要 特性参数如表2 - 2 所示。 1 8 第一亭皋于t 涉让的纳米删机酬头雕论分析及上寮班i l 表22 光电一般钍参数 r 作状态反偏( j 般取一15 v j 击穿l u 压 卜：j l v 暗电流i + ( a )10 5 1 0 。 r 。( 0 )62 4 【0 ” 2 w 光l 乜流( a ) 87 8 1 0 光电一极管的电流1 与输入光功车p 成正比哭系， t = r pf 2 12 ) 其中r 为光电二极管响庸度。由光点一极管的参数可知该光i b 二极管的响麻度 r - 三：04 3 9 a w p 山式( 2 - 2 ) 及式( 2 1 2 ) 通过训算1 1 r 知，当微悬臂梁，叟化l n m 时，输出电流变 化6 6 n h 。其后续电路将在第凹章中介绍。 2 4 接触模式探针1 2 9 i 木测头使用的探针( 如图2 9 所示) 的成分为氮化硅。浚探针山一个悬臀粱和 粱一端的针尖构成。悬臂粱的特性和尺q 是决定灵敏度和精度的重要困素。对于 接触模式米说，悬臂粱应该足够柔软从而拒很小的作用山下能够产生形变( 即 力常数) ：同时应其有高的共振频率，使其不容易受振动不稳定性的影响。通过 将探针做得很小来提供高的共振频率；通过将探针做得很簿以产生根小的作垌力 常数。 罔2 9 接触模式探针 第二章基于干涉法的纳米测量机测头理论分析及力案设计 氮化硅探针的基座上有四种不同规格的探针，从而产生四种不同的弹性常数， 如图2 1 0 所示。 图2 - 1 0 四种悬臂梁的弹性常数 标准氮化硅的特征参数如表2 - 3 所示。 表2 - 3 氮化硅探针特性参数 弹性常数( k ) 0 5 8 ，0 3 2 ，0 1 2 ，0 0 6 n m 曲率半径 2 0 - 6 0 n m 悬臂长度 1 0 0 & 2 0 0 u m 形状v 形 反射面涂层材料 金 侧面角 3 5 。 2 5 探针夹持器设计 由于测试不同的样品，需用到不同种类的探针。由于探针很小又很容易损坏， 所以需要给不同种类的探针设计合适的探针夹持器。已有的探针夹持器的结构介 绍如下。 2 5 1a f m 夹持器 已有的原子力显微镜的a f m 探针夹持器包括如图2 - 1 1 从左至右所示的四种： 原子力( a f m ) 接触模式和轻敲( t a p p i n g ) 模式，电场力显微镜( e f m ) 模式， 力调制模式，扫描隧道显微镜( s t m ) 模式。最常用的是第一种，此种夹持器上 第一章基于t 涉浊帕纳米删节机删头理论分析肛方窠吐计 装冉压电陶瓷，当给该压电陶瓷j u 上周期性变化的电址使其仲缔时，探针便l ：作 r 轻敲模式：而不j j u 电压时它便t 作十接触模式1 2 9 l 。 西四 毕t ” 分f 、p 咖叫二唷k i j 1_ | 4 b o t r o l a l 、i e w 罔2 - 1 i 多模式s p m 的各种探针夹持器( 分别标以序号) 2 52s i s 夹持器3 0 s i s 测头用s i s 公司特制的探针并设计丫适合该探制的夹持器。其结构如图 21 2 所示。使用时，弹簧夹2 压紧探针l ：换针时松开螺母3 。使弹簧央2 离开 攘钊l 的表面，从而将探针取r 。 l 探针2 弹簧央3 螺母 吲2 】2s is 探什失持器结构 ih 、。 一- -_ 第二章基于- f 涉法的纳米测量机测头理论分析及方案设计 前文介绍过s i s 铡头的原理是利用光纤干涉法。图2 1 3 为探针的固定装置， 图中部件上有- f l 可以便光通过该孔打在探针上。右侧的探针按箭头所指方 向放在在探针座上用弹簧夹固定。探针座与压电陶瓷连接，当给压电陶瓷加上 电压时，探针便可在样品表面进行扫描。 图2 - 1 3 探针的固定装置 2 5 3 本测头夹持器设计 本测头的探针选用如图1 _ 6 所示a f m 探针，l 为放置探针的小凹槽：弹簧夹 的一端被用螺母固定在2 处另一端夹持探针i3 处放置分束镜，整个探针夹持 器固定在测头内的压电陶瓷管上。 设计原理是基于光纤的干涉技术，故综合上述两种探针夹持器，设计出适合 本系统如图2 - 1 4 所示的探针的夹持器。探针夹持器固定在压电扫描管的底端， 其上设置有弹簧夹、通孔和窗口，弹簧夹的一端固定在探针夹持器上，另一端夹 持穿过遥孔的探针探针夹持器上开有螺纹孔，分束镜固定在窗口上，光纤、分 柬镜、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，透射光束打在探针背面的反射表面上后反 射的光束经过分柬镜后与先前的反射光束相干涉，干涉信号经过光纤输出，从而 获得样品表面的形貌信息。 翁 第二章基于干涉法的纳米测帚机测头理论分析及方案设计 2 6 本章小结 作： 图2 - 1 4 本系统的探针夹持器 本章针对基于光纤干涉法的纳米测量机测头进行设计，主要完成了以下工 l 、分析了测头的结构和工作原理。 2 、进行了光纤干涉仪的光路设计，介绍了斐索干涉仪的各部分组成及功能。 3 、进行了探针夹持器的设计。 4 、为干涉后的光信号选择合适的光电转换器件。 第三辛测头系统硬件电路设计 第三章测头系统硬件电路设计 对设计完成的纳米测量机测头需进行考查和标定，因此需要建立测头的测试 和校准系统。该系统应该能为测头提供位移输入信号，同时检测测头的输出电压 信号，通过建立输入输出关系图，即可考察测头的响应特性。需要注意的是， 校准系统中采用的位移输入平台要比测头本身更大的测量范围和更高的分辨力。 因此，有必要研究具备测量功能的纳米级定位平台。此外，光电转换器件的输出 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。本章主要介绍基于光纤干涉法的a f m 测头的电路部分设计。主要包括放大， 信号采集、处理，与上位机通讯等部分。 3 1 测试校准系统总体设计 基于对光纤干涉技术的a f m 测头测试和校准的要求，本文选择了装备了激 光干涉仪的纳米测量和定位机( n 删) 作为测量标准和定位平台，并以此为核心 组建个测试校准系统。充分利用n m m 的高精度定位和测量功能，结合测头信号采 集电路和上位机软件，就能为测头提供输入并对其输出信号进行测试和及校准。 该方法和系统不仅能够标定测头实际使用时的性能参数，还能为测头和纳米测量 机结合实现大范围、高精度测量提供设计参考。测试校准系统的总体设计方案如 图3 一l 所示。 图3 1 测试校准系统总体设计框图 由于n m m 初始校准参数部已经过准确的测量和补偿，对工作环境的要求 相当高，因此，上述系统的建立和工作都是在纳米技术国家重点实验室的超净环 境中进行的，整套系统放置在气浮隔振平台上，以减小周围噪声对测量的影响。 2 4 第三幸测头系统硬