关于显微光杠杆技术微梁结构偏转角测量系统.pdfVIP

摘要 微梁是最基本的 MEMS 结构之一，常被用作微传感器的关键元件。微梁 不仅可以像在 AFM 中那样进行表面形貌测量，还可以进行热、力、电、磁等 表面特性的测量。但随着微梁尺寸的进一步减小，对检测技术提出了更高的要 求。本课题针对微梁结构的偏转角高速测试需求，设计并搭建了一套基于显微 光杠杆技术的测量系统。该系统将光杠杆光路与无限共轭显微光路相结合，所 得聚焦光斑直径小于 10μm，有利于实现微梁结构的性能测试；采用电流模式电 路处理四象限探测器的输出信号，系统带宽超过 15MHz ；系统对微梁结构的偏 转角测量分辨力和理论量程分别可达 1.2″和±4° 。利用该系统测量了原子力显微 镜微悬臂梁探针在步进载荷下的偏转情况，测量结果与铁摩辛柯梁理论计算一 致，验证了系统的可行性。课题主要工作内容包括以下几个方面： 1. 系统地分析了主要角度测量方法的国内外研究现状，针对微梁结构的偏 转角测量需求，提出了将显微光路与光杠杆光路相结合的偏转角测量方案，并 给出了系统示意图。系统主要包括显微光杠杆光路、光电探测器读出电路、数 据采集处理与电机驱动装置等。 2. 设计并搭建了显微光杠杆光路，既能够实时观察到微梁结构的状态，还 能够获得较小的聚焦光斑，有利于对百微米量级结构的偏转角进行测量。同时， 采用笼式结构，并集成在电动位移台上，应用方便。 3. 设计并制作具有大带宽、高灵敏度的光电探测器读出电路，该电路基于 电流模式进行设计，具有大带宽、大量程、高分辨力、低噪声等特点。基于 LabVIEW 编制了上位机通信软件，实现数据采集及处理、电机控制等。 4. 利用该系统得到了原子力显微镜 （AFM ）的三种微悬臂梁探针的幅频 响应曲线，得到了其基频与倍频信号，验证了系统的带宽。在步进载荷下求取 了微悬臂梁探针 NSG-10 的偏转情况，并与理论计算结果进行了对比，验证了 系统的可行性。 5. 总结了全文的工作，并对系统存在的一些缺点和不足进行了探讨，阐述 了进一步工作需求。 关键词：微梁结构；显微光杠杆；偏转角；电流模式电路；原子力显微镜 i ABSTRACT Microbeam as one of the most basic MEMS structure, is often used as a micro sensing element. Not only can measurement the surface topography like in AFM, can also be detection of the heat, biological and chemical force etc.. But with further reduce the size of the microbeam, a higher requirements was proposed by the detection technology.This thesis presents a microscopic system for the fast deflection angle measurement of microbeams. The system consists of an infinite conjugate imaging system and an integrated optical lever. The laser beam of the optical lever is focused by the infinite objective to a spot size of 10μm. A current-mode circuit is designed for signal processing of QPD output, and achieves 15 MHz in bandwidth. The measurement range and resolution of this system are ±4° and 1.2, respectively. As a te