[发明专利]微观作用力测量系统及其接触零点和表面性质的判别方法

说明书

本发明公开了一种微观作用力测量系统及其接触零点和表面性质的判别方法，该测量系统包括传感模块、光学感测模块、解调光路模块、信号调理模块、上位机模块和纳米级精度微位移驱动模块，能实现对微米尺度内界面微观相互作用力的测量；本方法结合界面微观相互作用力相关性质，可以简单、快速、高精度地评估探针微球与被测表面的接触零点的位置，从而可获得更准确的微纳测量系统的预行程变化量信息；此外通过对不同材料的被测表面及不同特征尺寸的探针微球的界面微观相互作用力进行测量，从而获得力‑分离位移曲线，并进行相关处理，可获得被测表面的表面性质。

技术领域

本发明涉及微纳测量及界面微观相互作用力，更具体地说是一种基于界面微观相互作用力测量系统及其接触零点和被测表面亲水疏水特性的判别方法。

背景技术

微纳米的超精密检测技术是保证微器件能够精确加工及装配的保障，也是纳米加工技术得到发展的前提和基础。三坐标测量机常常用于精密测量一些器件的三维尺寸，为了测量微器件，研制出了各种微探针和传感原理实现纳米级精度测量的测量系统，其测量力较小，微探针的直径往往可以达到微米或者纳米量级。当微探针球头直径达到微米甚至纳米量级时，在微探针针尖与微器件表面即将发生接触时，测头尖端与被测表面间会出现不可忽略的界面微观相互作用力，而且界面微观相互作用力的影响将会比重力大得多。

当纳米三坐标微测头测量被测表面时，在测头接触被测面的瞬间微测头系统并没有信号输出，从测头接触被测面的瞬间到微测头产生可感测的最小信号变化输出，存在一定的感测距离，称之为预行程变化量。因此，实际微测头测量信号的输出量需引入预行程变化量进行补偿修正，但预行程变化量与测头接触被测面的瞬间位置(即接触零点)有密切关系，接触零点的准确获得将直接影响预行程变化量的修正精度。

程方设计了精密开关电路侦测接触点位置，实现了预行程测量，Rafael Benitez提出了一种基于局部回归算法的AFM力曲线接触点估计方法。可见，目前微纳测量中接触零点的测量或得到都是通过复杂的硬件设计或者算法来获取，绝对的接触零点的测量或得到从物理上是不可能实现的，只能通过尽可能高灵敏度的感测系统或信号分析处理的方法去尽可能地接近绝对的接触零点。

而目前，对于亲疏水特性的测量，大多都是使用接触角测量仪测量接触角，从而获得亲疏水特性，这些接触角测量仪价格昂贵。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种微观作用力测量系统及其接触零点和表面性质的判别方法，以期能在实现界面微观作用力的测量的同时，可以简单、快速、高精度地判别探针微球与被测表面的接触零点及被测表面性质。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种微观作用力测量系统的特点包括：传感模块、光学感测模块、解调光路模块、信号调理模块、上位机模块和纳米级精度微位移驱动模块；

所述传感模块，包括：测头的机体支架、超精密不锈钢管、测量FBG传感器、匹配光栅；

所述测量FBG传感器和匹配光栅分别放到所述超精密不锈钢管中，且并排悬挂在所述测头的机体支架上；所述测量FBG传感器的光纤端面长于所述匹配光栅；

所述光学感测模块，包括：ASE宽带光源、第一耦合器；

所述ASE宽带光源连接所述第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的输出端连接至所述测量FBG传感器；

所述解调光路模块，包括：第二耦合器、高灵敏度光电探测器；

所述第二耦合器的输入端连接至所述第一耦合器的反射端，所述第二耦合器的输出端连接至所述匹配光栅；所述第二耦合器的反射端设置有所述高灵敏度光电探测器；

所述高灵敏度光电探测器连接至所述信号调理模块；

所述上位机模块，包括：数据采集卡、计算机；