专利名称：一种用于微力微位移测量系统的集成探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及精密检测技术领域，特别是涉及一种用于微力微位移测量系统的集成 探测器。
背景技术：
电子产品高集成度与高性能化发展趋势以及微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)技术与应用发展，对超精表面及微纳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。微米、纳米尺度的对象易脆，在其 状态监测及应用操作过程中，一方面要精密监测位移状态，同时为保证操作顺利进行，微力 检测与控制也具有十分重要和必要作用，因此微位移与微力的集成一体化测量非常关键。 如微操作中不仅要检测夹持工具的位移，同时要实时反馈和控制对操作对象的夹持力，避 免损坏操作对象，因此微力、微纳米级位移的集成检测技术具有十分重要的理论及应用价 值。目前微力、微位移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。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。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。传统的微力传感器一般将力转换成其他物理量进行间接监测，如传统应变片式、 电容式、压阻式、压电式、MEMS硅电桥、光杠杆式等。微力检测时，通常将金属应变片贴在需 要检测力的位置，根据基体结构的不同反馈1 6维的力或力矩信息，此种结构优点是刚 度大，能够承受很强的负载冲击，缺点是由于金属应变片的反馈信号量小，需要设计增益很 高的检测电路并且需要高品质电源和运算放大器，提高了成本，且高增益检测电路经常发 生严重电位漂移，降低检测精度。聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)材料发 生弯曲变形时输出电荷信号，可用于制作微力传感器，动态灵敏性能好，但由于PVDF材料 刚度很小，测量承受负载能力弱，用于测试静态力时需要很好的压电电荷保持技术。压电晶 片式力传感应用于微力测量的灵敏度不够。随着MEMS工艺的进步，可以在硅梁上加工出用 于力检测的惠斯通电桥，相比于贴应变片方式硅传感器能产生更大信号输出，降低了对检 测电路要求。AFM中采用微悬臂梁(Cantilever)和位置敏感元件(Position Sensitive Detector，简称PSD)检测，利用光学杠杆放大原理将悬臂梁在受力情况下将产生弯曲变形 转换成PSD上光斑位置的变化，从而实现高精度微力检测，但光学系统结构复杂、成本高、 不便于安装与系统集成。也有人尝试将压电应变片与AFM探针集成，虽然系统相对紧凑，但由于热和电噪声的影响，位移和微力的测量精度比光测方式低。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用 于微力微位移测量系统的集成探测技术，实现简单，成本较低，并且具有较高的探测精度。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于微力微位移测量系统的集成探测器， 实现简单，成本较低，并且具有较高的探测精度。为了解决上述问题，本发明公开了一种用于微力微位移测量系统的集成探测器， 包括固定架、光纤传感模块和微探测模块；所述固定架为U型固定架，包括基座、以及位于基座两端形状对称的左臂和右臂； 所述左臂上设有左V型槽，所述右臂上设有右V槽型；所述光纤传感模块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 纤的光功率的变化；其中，所述发射光纤置于固定架的左V型槽内，所述接收光纤置于固定 架的右V型槽内；发射光纤和接收光纤同轴；所述微探测模块包括微探针、微悬臂和平移板，用于依据微探针在样品表面上的 位置变化，通过微悬臂带动平移板产生垂直位移，改变入射到接收光纤的光功率；其中，微悬臂的一端固定于基座上，另一端水平伸出基座；微探针垂直固定于微悬臂顶端的下表面上；平移板位于发射光纤的右端面与接收光纤的左端面之间，垂直固定于微悬臂的上 表面上，其所在平面与光束垂直；所述固定架与微探测模块为采用MEMS工艺加工制成的一体化固件。优选的，所述基座的上表面与左臂、右臂的上表面相平，基座的下表面低于左臂、 右臂的下表面。优选的，所述微悬臂刚性连接在基座下表面的中心位置处。优选的，所述微悬臂为三角形结构，其厚度为0. 1 25微米。优选的，所述微探针为圆锥体或棱锥体结构，微探针的针尖大小为纳米量级。优选的，所述微悬臂和微探针由上表面为银或者铬的硅基底通过湿法腐蚀制成。优选的，所述平移板的初始位置满足其顶端与发射光纤和接收光纤的轴心对齐。
优选的，所述平移板由金属镍或者铜制成。优选的，所述固定架由PMMA光刻胶通过光刻技术制成。优选的，所述微探针的工作模式包括接触模式和非接触模式。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明提供的集成探测器包括固定架、光纤传感模块和微探测模块三部分，总体 结构简单、安装应用便捷。其中，采用光纤光路进行传感，结构简单，光纤传输抗外界干扰性 高；易于小型化、便携。此外，将光纤传感与微探测模块结合，微探针与被测样品相互作用，通过微悬臂带 动平移板的垂直位移改变入射到接收光纤的光功率，可工作于接触式、非接触式两种状态; 并且，能够实现微纳位移与微力的集成化探测位移探测的分辨可达纳米量级，载荷力探测 的分辨可达纳牛量级。
4
进一步，所述固定架与微探测模块为采用MEMS工艺加工制成的一体化固件，从而 避免组件装调及其引入的基准及位置误差；并且，基于MEMS技术加工，避免了传统电桥处 理等电路设计，提高探测器灵敏度，减小系统体积。其中，微悬臂设计为V型(或三角形)， 提高了横向刚度；微悬臂的厚度为微米量级，具有合理的力弹性常数，以实现探测的高灵敏 度以及对原子间作用力的检测；微探针的针尖为原子大小(纳米)量级，从而能够对原子力 曲线进行测量，以获得较好横向分辨率；将微探针为圆锥体或棱锥体，并由由上表面为银或 者铬的硅基底通过湿法腐蚀制成，使其具有较高强度及耐磨性。


图1是本发明一种用于微力微位移测量系统的集成探测器实施例的结构图；图2是本发明实施例所述的集成探测器的测量原理示意图；图3是本发明实施例所述的采用MEMS工艺制备一体化固定架与微探测模块的加 工示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。参照图1，示出了本发明一种用于微力微位移测量系统的集成探测器实施例的结 构图，所述探测器包括固定架11、光纤传感模块和微探测模块13 ；所述固定架11为U型固定架，包括基座111、以及位于基座两端形状对称的左臂 112和右臂113 ；所述左臂上设有左V型槽114，所述右臂上设有右V槽型115 ；所述光纤传感模块包括发射光纤121和接收光纤122，用于检测发射光纤入射到 接收光纤的光功率的变化；其中，所述发射光纤121置于固定架的左V型槽114内，所述接 收光纤122置于固定架的右V型槽115内；发射光纤和接收光纤同轴；所述微探测模块13包括微探针131、微悬臂132和平移板133，用于依据微探针在 样品表面上的位置变化，通过微悬臂带动平移板产生垂直位移，改变入射到接收光纤的光 功率；其中，微悬臂132的一端固定于基座111上，另一端水平伸出基座；微探针131垂直固定于微悬臂132顶端的下表面上；平移板133位于发射光纤121的右端面与接收光纤122的左端面之间，垂直固定 于微悬臂132的上表面上，其所在平面与光束垂直；所述固定架11与微探测模块12为采用MEMS工艺加工制成的一体化固件。具体的，光纤传感模块的发射光纤121固定安装于固定架11的左V型槽114内， 其用于向接收光纤122发送光束；接收光纤122固定安装于固定架11的右V型槽115内， 其用于接收经微探测模块13的平移板133调制后的光束；发射光纤121和接收光纤122在 安装时保证同轴，以使初始时光束最大限度的入射到接收光纤中。固定架11用于对光纤和微悬臂固定以及与宏观的微力微位移测量系统的接口连 接；左臂112和右臂113均垂直于基座111，位于左臂112上的左V型槽114和右臂113上 的右V型槽115分别承载固定发射光纤121和接收光纤122，所述左V型槽114和右V型槽115的开槽方向平行于基座的长度方向。进一步，所述基座的上表面与左臂、右臂的上表面 相平，基座的下表面低于左臂、右臂的下表面，则进行表面探测时，样品在左臂和右臂的下 方移动时有足够的活动空间。所述固定架11与微探测模块13构成的固件采用MEMS工艺一体化加工完成，从而 避免各个组件装调及其引入的基准及位置误差。所述微悬臂采用MEMS工艺加工实现，与固 定架11的基座111下表面的中心位置刚性连接，以保证所述平移板133位于发射光纤121 和接收光纤122的中间位置，平移板133的材料具有一定的弹性，可在外力作用下发生位移 偏摆或以某一频率和幅值振动。平移板133与微悬臂132的上表面采用MEMS工艺连接，其 平面与微悬臂表面相互垂直；所述平移板133位于发射光纤121右端面与接收光纤122左 端面之间，其初始位置满足其顶端与发射光纤和接收光纤的轴心对齐。微探针131位于微 悬臂132的下表面，并靠近其顶端，形状可为圆锥体或棱锥体等结构，可在接触式或非接触 式两种模式下工作。图2所示为本发明实施例所述的集成探测器的测量原理示意图。本发明实施例所 述的微悬臂是一种对微力极敏感的弹性梁结构，微悬臂的弹性系数越小，力的灵敏度越高。 本发明实施例中的微悬臂可以看成弹性体，作用到样品表面的力可由虎克定律得到，即 AF = KX Δ H;其中，K是弹性系数，Δ H为微悬臂的位移量；再利用光纤光强传感系统，便 可实现位移和力可的探测。参照图2，测量过程中，微力微位移测量系统预先将外部光源耦 合到发射光纤121中，发射光纤输出光功率为W。ut ；微探针与样品表面以接触式或非接触式 模式作用，则样品在水平面内运动时，微探针与样品表面产生不同位移变化ΔΗ或者微力 AF作用。其中，接触模式(Contact Mode)探测时，微探针131与样品表面相接触，产生相互 作用的微力Δ F，微力Δ F大小随微探针与样品表面的相对距离Δ H发生变化，根据原子间 排斥力和微悬臂的弹性回复力作用，使得微悬臂132绕固定架的基座上下摆动角度Δ θ， 并带动平移板133在垂直面内产生位移Δ Ζ,作切割发射光纤121和接收光纤122之间光束 的位移运动，AF与Δ Z呈线性关系。非接触式(Non-contact Mode)探测时，微探针131与样品表面保持一定距离(由 于微探针与样品没有接触，因此测量过程中样品表面不易损伤)，由于二者之间长距离吸引 力的作用，微探针131与样品表面的不同距离变化ΔΗ，使得平移板133在垂直面内产生位 移ΔΖ，ΔΗ与Δ Z呈非线性关系。在接触式或非接触式任意一种模式下，平移板133的垂直位移变化ΔΖ，将引起接 收光纤122接收光功率变化AW，进一步，还可以经于微力微位移测量系统的光电探测器将 光功率变化转换为相应电压变化Δυ。采用最小二乘等拟合方法对微探针探测与光纤传感 系统进行标定，完成了不同刚度的微悬臂变形与位移检测，建立样品表面位移及微力与光 纤输出光强之间的关系，即可实现微纳位移及微力的集成一体化检测。需要说明的是，本发明实施例提出的集成探测器属于微力微位移测量系统的一部 分，只用于检测由样品表面高度不同引起的光功率的变化，进一步的，根据光功率变化获得 样品表平面结构的数据处理不属于本发明所涉及的范围。所述集成探测器的工作流程如下(a)利用基座111将光纤传感模块夹持固定，并与整个微力微位移测量系统的机械接口及电器接口连接，包括将外部光源与发射光纤121连接，外部光功率计与接收光纤 122连接；(b)将发射光纤121和接收光纤122分别嵌入左V型槽和右V型槽内，保证二者同 轴，并粘接固定；(c)将样品放置于微探针131下面的工作台上，调整样品与微探针131之间在竖直 方向的初始位置，进入工作状态；(d)水平相对移动探测器与样品，记录光纤传感模块反馈的光功率信息，以表征样 品在竖直面内的位移量。则利用位移信息和探测到的光功率信息，即可实时计算微探针与样品之间的相互 作用微力，从而实现微位移、微力集成一体化检测。在具体实施例，集成探测器可进行如下配置(1)激光光源选择绿光，将输出功率为500mW的光束输入到入射光线中；(2)发射光纤和接收光纤选择带接头和尾线的62. 5 μ m纤芯的多模光纤；(3)微悬臂长130 μ m,微悬臂弹性系数为50N/m ；按照以上配置，探测器测量主要技术指标可达(1)位移检测范围< 50 μ m，检测灵敏度2nm/lnW ；(2)微力检测分辨率可达微牛量级。进一步，由于本发明实施例所述固定架与微探测模块为采用MEMS工艺加工制成 的一体化固件。所以本发明的结构加工工艺设计及实现将直接影响到最终探测器的系统性 能。考虑到探测器对微力敏感性，微悬臂的结构设计需要满足以下要求(a)高的横向刚度，以防止悬臂梁扭曲，因此将微悬臂梁结构设计为三角形结构 (V型)，以提高横向刚度;(b)适当的力弹性常数，以实现探测的高灵敏度以及原子间作用力检测，因此微悬 臂厚度应在微米量级，设计值在0. 1 25 μ m之间。进一步，为得到较高的位移分辨率，微探针设计满足以下要求(a)微探针针尖在原子大小量级，从而能够对原子力曲线进行测量，以获得较好横 向分辨率；(b)微探针材料具有较高强度及耐磨性，避免对结果的影响，因此将微探针设计成 圆锥体或者棱锥体(一般为四面体)。其中，在左臂和右臂上进行V型槽的设计是为了在探测器封装时将发射光纤121 和接收光纤122直接嵌入固定架中，一般的，V型槽的角度设为90度；V型槽深度参照光纤 直径，使得光纤嵌入后，顶部略高出基座21上表面，以便于安装固定；同时V型槽的截面应 与平移板33相互平行。在材料选择上，由于MEMS工艺中，氮化硅、氧化硅、多晶硅、单晶硅、光刻胶等是 常用的材料。考虑到本发明所设计探测结构的复杂性，且具有较高的深宽比，最终选定 上表面为金属银或者铬(Ag/Cr)的硅(Si)基底、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Polymethyl methacrylate)光刻胶、金属镍或者铜(Ni/Cu)等三类材料作为结构材料。在工艺实现上，采用LIGA工艺得到较高深宽比的平移板，采用光刻技术得到左V 型槽和左V型槽，采用湿法腐蚀得到微悬臂及微探针。具体的，所述微悬臂和微探针由上表
7面为银或者铬的硅基底通过湿法腐蚀制成。所述平移板由金属镍或者铜制成。所述固定架 由PMMA光刻胶通过光刻技术制成。本发明的结构加工工艺，如图3所示，为采用MEMS工艺 制备一体化固定架与微探测模块的加工示意图。其中，在图3(a)-3(d)、图3(h)-(j)中，上 图为不同加工过程的一体化固件的俯视图，下图为不同加工过程的一体化固件沿A-A线的 剖视图；在图3(e)-(g)中，左图为不同加工过程的一体化固件沿A-A线的剖视图，右图为不 同加工过程的一体化固件的右视图；在图3(k)-(m)中，上图为不同加工过程的一体化固件 的俯视图，下图为不同加工过程的一体化固件的主视图；在图3(n)-(t)中，上图为不同加 工过程的一体化固件的主视图，下图为不同加工过程的一体化固件的仰视图。采用MEMS工艺制备一体化固定架与微探测模块的加工流程如下(a)工艺材料选用在上表面为Ag/Cr的Si基底上附着有PMMA光刻胶的长方体材 料，在长方体状的PMMA的上表面覆盖X射线掩膜，其中，未覆盖掩膜的区域为长条区域，长 条的长为平移板的长，长条的宽为平移板的宽，采用高深宽比光刻用的正形投影传递或自 对准掩模板；(b)采用LIGA光刻技术得到高、宽、长具有一定比例关系的矩形凹槽，其中，要控 制光刻胶曝光和显影时间，保证加工精度；所述矩形凹槽即为平移板的模具槽。(c)通过显影去除(a)中所述的掩膜；显影完成后，用离子水清洗该微结构，并在 真空炉中干燥；(d)采用无电解电镀方法在凹槽内镀上金属膜，可以选用Ni或者Cu进行镀膜，该 金属膜即为平移板；(e)在PMMA的右端面上覆盖矩形条状掩膜；掩膜的顶端和PMMA的顶端相齐，掩模 的高度为固定架的左臂/右臂的高度，其小于PMMA的高度；(f)采用光刻工艺去除部分PMMA ；则未去除PMMA的左半部分作为固定架的基座， 去除PMMA的右半部分用来形成固定架的左臂和右臂；(g)第二次显影，去除(e)中所述的掩膜；(h)在PMMA的上表面上覆盖一层U型掩膜；(i)采用光刻工艺去除部分PMMA，则得到固定架的基座、左臂和右臂；(j)第三次显影，去除(h)中所述的掩膜；(k)在PMMA正视图面和后视图面(即前端面和后端面)上覆盖掩膜，未覆盖区域 为倒三角形；(1)采用光刻工艺去除部分PMMA，得到左V型槽和右V型槽；(m)第四次显影，去除(k)中所述的掩膜；(η)在Si基底上(即PMMA的底面)覆盖掩膜，掩模为矩形+V形(三角形)，掩膜 可选择SiO2、Si3N4等；(ο)对Si基底进行各向同性湿法腐蚀，腐蚀掉Si并露出Ag/Cr膜；(ρ)对Si基底上露出的Ag/Cr膜进行腐蚀，得到V型微悬臂；(q)第五次显影，去除(η)中所述的掩膜；(r)在V型微悬臂下表面的尖端覆盖掩膜，该掩膜尺寸决定了微探针尺寸；(s)对Si基底进行湿法腐蚀，去掉底层的部分Si ；(t)去除(r)中所述的掩膜，露出微探针，加工工艺完毕。
则通过上述工艺过程可制得固定架与微探测模块的一体化固件。以上对本发明所提供的一种用于微力微位移测量系统的集成探测器，进行了详细 介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明 只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本 发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应 理解为对本发明的限制。
权利要求
一种用于微力微位移测量系统的集成探测器，其特征在于，包括固定架、光纤传感模块和微探测模块；所述固定架为U型固定架，包括基座、以及位于基座两端形状对称的左臂和右臂；所述左臂上设有左V型槽，所述右臂上设有右V槽型；所述光纤传感模块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的变化；其中，所述发射光纤置于固定架的左V型槽内，所述接收光纤置于固定架的右V型槽内；发射光纤和接收光纤同轴；所述微探测模块包括微探针、微悬臂和平移板，用于依据微探针在样品表面上的位置变化，通过微悬臂带动平移板产生垂直位移，改变入射到接收光纤的光功率；其中，微悬臂的一端固定于基座上，另一端水平伸出基座；微探针垂直固定于微悬臂顶端的下表面上；平移板位于发射光纤的右端面与接收光纤的左端面之间，垂直固定于微悬臂的上表面上，其所在平面与光束垂直；所述固定架与微探测模块为采用MEMS工艺加工制成的一体化固件。
2.如权利要求1所述的集成探测器，其特征在于，所述基座的上表面与左臂、右臂的上表面相平，基座的下表面低于左臂、右臂的下表
3.如权利要求2所述的集成探测器，其特征在于， 所述微悬臂刚性连接在基座下表面的中心位置处。
4.如权利要求3所述的集成探测器，其特征在于， 所述微悬臂为三角形结构，其厚度为0. 1 25微米。
5.如权利要求4所述的集成探测器，其特征在于，所述微探针为圆锥体或棱锥体结构，微探针的针尖大小为纳米量级。
6.如权利要求5所述的集成探测器，其特征在于，所述微悬臂和微探针由上表面为银或者铬的硅基底通过湿法腐蚀制成。
7.如权利要求1所述的集成探测器，其特征在于，所述平移板的初始位置满足其顶端与发射光纤和接收光纤的轴心对齐。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述平移板由金属镍或者铜制成。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述固定架由PMMA光刻胶通过光刻技术制成。
10.如权利要求1所述的集成探测器，其特征在于， 所述微探针的工作模式包括接触模式和非接触模式。
全文摘要
本发明提供了一种用于微力微位移测量系统的集成探测器，包括固定架、光纤传感模块和微探测模块；固定架为U型，包括基座、左臂和右臂；左臂上设有左V型槽，右臂上设有右V槽型；光纤传感模块用于检测发射光纤入射到接收光纤的光功率的变化；其中，发射光纤置于固定架的左V型槽内，接收光纤置于固定架的右V型槽内；发射光纤和接收光纤同轴；微探测模块包括微探针、微悬臂和平移板，用于依据微探针在样品表面上的位置变化，通过微悬臂带动平移板产生垂直位移，改变入射到接收光纤的光功率；所述固定架与微探测模块为采用MEMS工艺加工制成的一体化固件。本发明提出的集成探测器，实现简单，成本较低，并且具有较高的探测精度。
文档编号G01L1/24GK101957246SQ20101023399
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者李玉和, 胡小根 申请人:清华大学