基于多角度平面透射镜的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转扫描系统及扫描方法

摘要

基于多角度平面透射镜的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转扫描系统及扫描方法，该系统包括：一激光器、一呈直线排列的平面透射镜组，平面透射镜数量与待测微悬臂梁阵列传感器上的微悬臂梁数量相等，且每一平面透射镜与水平面形成不同的夹角；该系统通过带动不同夹角的平面透射镜构成一种微距离平行光线发生系统，激光器发出的激光束通过微距离平行光线发生系统对微悬臂梁阵列中每根微悬臂梁自由端进行照射，并利用光电位置敏感探测器对上述光的信号进行检测，实现对微悬臂梁阵列上每根微悬臂梁偏转情况的检测。本发明可以实现利用一个激光器对每根微悬臂梁的照射，消除了由于不同激光器检测时带来的系统误差，实现了精确性更高的检测。

说明书

技术领域

本发明属于微梁检测领域，特别是涉及基于多角度平面透射镜的微悬臂梁阵 列传感器的微悬臂梁偏转扫描系统及扫描方法。

背景技术

测量、控制和自动化等现代科学技术的飞速发展极大地促进了信息技术的进 步，人类社会已进入了信息时代。传感器技术作为信息技术的三大支柱之一是信 息获取的主要手段，在现代科学技术的发展中起着越来越重要的作用。生化传感 器是现代传感技术中的重要组成部分。在科学研究、食品安全、医疗卫生、环境 监控、工农业生产等方面得到广泛应用。生化传感器是一种高特异性的、强有力 的和廉价的分析工具，它可以在复杂的背景噪音条件下检测出靶标分子。生化传 感器种类繁多，性质和形态各异。近年来，随着微机电系统（MEMS）技术的出现 和发展，为生化传感器提供一些新的选择和思路。微悬臂梁作为一个最简单的 MEMS器件近来受到广泛关注。

微悬臂梁传感技术是在原子力显微镜和微系统出现后迅速发展起来的一种 新的传感方法。微悬臂梁传感器作为最简单的微机械元件，一直是微纳传感技术 研究的热点。微悬臂梁传感器可以对具有特异性的生化反应参数进行实时测量， 当微悬臂梁表面上发生生化反应时，微悬臂梁的上下表面会产生应力差改变并使 微悬臂梁产生弯曲变形。通过激光照射微悬臂梁自由端，利用光杆杆法对每根微 悬臂梁的端部位移进行放大后经过光电位置敏感探测器对信号进行探测，进而对 微悬臂梁表面发生的生化反应进行研究。微悬臂梁传感器作为一种可以实时、高 灵敏度、选择性好和非标定的新型传感方法应用在爆炸气体、气体压力、溶液中 的重金属离子、抗生素、基因检测、蛋白质构象转变、抗原抗体绑定反应和酶的 催化过程等方向的检测。

目前大量使用的单根微悬臂梁生化传感器由于每次只能用一根微悬臂梁进 行实验，浪费了大量时间；并且由于生化反应中需要多组试样对照，这就迫切的 需要实现两根梁以上的多根微悬臂梁检测的研究。

在论文（Cantilever array sensors.Materials Today,2005.8(4):p. 30-36.）中，学者利用垂直共振腔面射型激光器提供8阵列光源对微悬臂梁阵列 中的8根微悬臂梁进行时序照射。这种检测方法存在的问题是垂直共振腔面射型 激光器光束间的间距是固定的，故其只能针对一定间距规格的微悬臂梁阵列进行 检测，并且各个激光束相对独立不能保证激光束的一致性。

在先前用于一种阵列微悬臂梁单元偏角测量系统（公开号：101261139）中， 采用了复杂光路建立傅立叶变换系统实现对微悬臂梁偏角进行检测，该系统光路 复杂不易搭建。

在用于对微机械及纳米机械结构进行检测的系统及方法（公开号 CN101278357A）中，采用音圈电机带动激光器实现对微悬臂梁阵列上的每根微悬 臂梁进行扫描，音圈电机的机械振动会导致激光器发出的激光束产生误差。

在论文（Javier,T.,et al.,Imaging the surface stress and vibration  modes of a microcantilever by laser beam deflection microscopy. Nanotechnology,2012.23(31):p.315501.）中，学者则采用让安放微悬臂梁 的溶剂池进行二维摆动，实现对微悬臂梁阵列中的每根微悬臂梁进行扫描。而溶 剂池运动会使得反应溶液中粒子产生不必要的运动，使检测数据产生误差。

发明内容

本发明为了避免现有技术存在的不足之处，提供一种基于多角度平面透射镜 的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转扫描系统及扫描方法，该扫描系统在不移 动激光器和溶剂池的前提下，可以实现对所有微悬臂梁自由端的扫描，为微悬臂 梁偏转情况检测提供统一光束的扫描信号。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种基于多角度平面透射镜的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转扫描系 统，其结构特点在于包括：

一用于垂直向下发射激光束的激光器；

一固设在水平位移平台侧前方的呈直线排列的平面透射镜组，所述平面透射 镜组由第1平面透射镜、第2平面透射镜…和第N平面透射镜组成，所述N与待 测传感器微悬臂梁阵列上的微悬臂梁数量M相等，所述平面透射镜与微悬臂梁一 一对应；

当M为偶数时，所述平面透射镜组第平面透射镜呈水平设置；自第平 面透射镜向左呈角度递增的倾斜设置；自第平面透射镜向右亦呈角度递增的 倾斜设置，且与左侧的平面透射镜倾斜方向相反；各平面透射镜之间设置遮光板；

所述平面透射镜与水平面形成的锐夹角α（N)满足如下方程组：

$\frac{h*\sin [\alpha \left(N\right)-\beta \left(N\right)]}{\cos \left[\beta \left(N\right)\right]}=|\frac{M}{2}-N|d---\left(1\right)$

$n=\frac{\sin \alpha \left(N\right)}{\sin \beta \left(N\right)}---\left(2\right)$

当M为奇数时，所述平面透射镜组第平面透射镜呈水平设置；自第 平面透射镜向左依次呈角度递增的倾斜设置；自第平面透射镜向右 亦呈角度递增的倾斜设置，且与左侧的平面透射镜倾斜方向相反；各平面透射镜 之间设置遮光板；

所述平面透射镜与水平面形成的锐夹角α（N)满足如下方程组：

$\frac{h*\sin [\alpha \left(N\right)-\beta \left(N\right)]}{\cos \left[\beta \left(N\right)\right]}=|\frac{M+1}{2}-N|d---\left(1\right)$

$n=\frac{\sin \alpha \left(N\right)}{\sin \beta \left(N\right)}---\left(2\right)$

以上式中，α（N)代表第N平面透射镜与水平面形成的锐夹角，β(N)为激 光器发射的激光束照射到第N平面透射镜后的出射角；n为平面透射镜的折射率； h为平面透射镜的厚度；M为待测微悬臂梁的数量；N为平面透射镜顺序位；d 为待测微悬臂梁的间距；

本发明结构特点还在于：

将上述固设在水平位移平台上的呈直线排列的平面透射镜组替换为固设在 水平转动平台上，且阵列改为以转动平台的转轴为中心呈圆周排列。

所述的水平转动平台为带有圆孔的遮光板，圆孔分别对应位于各平面透射镜 正前方，圆孔大小使得激光器可以照射到平面透射镜，经平面透射镜后可以实现 对微梁的扫描。

所述激光器为半导体激光器，激光光源为632nm-780nm范围内的单色光源。

所述微悬臂梁阵列放置在溶剂池中的基体夹持台上，溶剂池通过进口管和出 口管控制溶剂的进出；所述溶剂池顶部设有透明玻璃窗。

所述基体夹持台的台面与水平面形成00-100范围内的倾角。

所述溶剂池底部设有用于控制溶剂温度的恒温器。

一种基于多角度平面透射镜的微悬臂梁阵列传感器的微悬臂梁偏转扫描系 统的扫描方法，其特点在于包括如下步骤：

1）将待测微悬臂梁阵列传感器放置在溶剂池中的基体夹持台上，基体夹持 台使微悬臂梁呈倾斜方向排列，所述溶剂池密闭，顶部设有透明玻璃窗，溶剂池 通过进口管和出口管控制溶剂的进出；

2）调整并固定激光器的初始位置，同时调整水平位移平台或水平转动平台 的初始位置，使平面透射镜组中的唯一水平设置的平面透射镜位于激光器的正下 方，调整溶剂池的初始位置，使微悬臂梁阵列传感器中对应于所述唯一水平设置 的平面透射镜的微悬臂梁处于激光器正下方，从而使激光器的激光束经平面透射 镜透射后照射在该微悬臂梁的自由端，从而完成对该微悬臂梁自由端的扫描；

3）利用音圈电机带动水平位移平台做往复运动或利用步进电机带动水平转 动平台做旋转运动，使每一平面透射镜均经过激光器的正下方，通过不同倾角设 置的平面透射镜使激光器发射出的激光束经过透射后照射到对应微悬臂梁的自 由端，从而在不移动激光器和溶剂池的前提下，完成对所有微悬臂梁的扫描。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明通过往复直线运动的音圈电机（或旋转的步进电机）带动8组不同角 度的平面透射镜可以实现利用一个激光器对每根微悬臂梁自由端的照射，消除了 由于不同激光器检测时带来的系统误差，同时通过调节平面透射镜的角度，使激 光束每次照射在每根微悬臂梁上的位置固定，实现了精确性更高的检测。带有圆 孔的遮光板可以对微梁阵列实现定点扫描，避免连续扫描微梁阵列带来的光路干 扰。

附图说明

图1本发明实施例1扫描系统的应用原理图。

图2是微悬臂梁阵列传感器固定在倾斜的基体夹持台上的状态示意图。

图3是平面透射镜倾斜设计原理图。

图4a、4b是本发明实施例1扫描系统中平面透射镜组及扫描过程示意图

图5a、5b是本发明实施例2扫描系统中平面透射镜组示意图。

图中：1可移动平台、2激光器、3水平位移平台、4、平面透射镜、41第1 平面透射镜、42第2平面透射镜、4N第N平面透射镜、51第1微悬臂梁、52 第2微悬臂梁、5M第M微悬臂梁、6进口管、7出口管、8溶剂池、9基体夹持 台、10恒温器、11光电位置敏感探测器、12数据采集卡、13计算机、14玻璃 窗、15水平转动平台、16遮光板、17微悬臂梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利进行详细描述，以便技术人员理解。

实施例1

如图1所示，微悬臂梁偏转扫描系统，包括：

一用于垂直向下发射激光束的激光器2；激光器2设在可调整其初始位置的 可移动平台1上；激光器为半导体激光器，激光光源为632nm-780nm范围内的单 色光源。

一固设在水平位移平台3侧前方的呈直线排列的平面透射镜组，平面透射镜 组自左向右由第1平面透射镜41、第2平面透射镜42…和第N平面透射镜4N 组成，N与待测传感器微悬臂梁阵列上的微悬臂梁数量M相等传感器微悬臂梁 阵列自左向右由第1微悬臂梁51、第2微悬臂梁52…和第5M微悬臂梁组成，平 面透射镜与微悬臂梁一一对应；即第1平面透射镜41与第1微悬臂梁51对应、 第2平面透射镜42与第2微悬臂梁52对应，以此类推，第N平面透射镜4N与 第5M微悬臂梁对应。

当M为偶数时，所述平面透射镜组第平面透射镜呈水平设置；自第平 面透射镜向左呈角度递增的倾斜设置；自第平面透射镜向右亦呈角度递增的 倾斜设置，且与左侧的平面透射镜倾斜方向相反；各平面透射镜之间设置遮光板；

所述平面透射镜与水平面形成的锐夹角α（N)满足如下方程组：

$\frac{h*\sin [\alpha \left(N\right)-\beta \left(N\right)]}{\cos \left[\beta \left(N\right)\right]}=|\frac{M}{2}-N|d---\left(1\right)$

$n=\frac{\sin \alpha \left(N\right)}{\sin \beta \left(N\right)}---\left(2\right)$

当M为奇数时，所述平面透射镜组第平面透射镜呈水平设置；自第 平面透射镜向左依次呈角度递增的倾斜设置；自第平面透射镜向右 亦呈角度递增的倾斜设置，且与左侧的平面透射镜倾斜方向相反；各平面透射镜 之间设置遮光板；

所述平面透射镜与水平面形成的锐夹角α（N)满足如下方程组：

$\frac{h*\sin [\alpha \left(N\right)-\beta \left(N\right)]}{\cos \left[\beta \left(N\right)\right]}=|\frac{M+1}{2}-N|d---\left(1\right)$

$n=\frac{\sin \alpha \left(N\right)}{\sin \beta \left(N\right)}---\left(2\right)$

以上式中，如图3所示，α（N)代表第N平面透射镜与水平面形成的锐夹角， 实际也是激光器发出的激光束与第N平面透射镜所形成的入射角，β(N)为激光 器发射的激光束照射到第N平面透射镜后的出射角；n为平面透射镜的折射率； h为平面透射镜的厚度；M为待测微悬臂梁的数量；N为平面透射镜顺序位；d 为待测微悬臂梁的间距。

如图1所示，微悬臂梁阵列放置在溶剂池8中的基体夹持台9上，溶剂池 通过进口管6和出口管7控制溶剂的进出；溶剂池顶部设有透明玻璃窗14；溶 剂池底部设有用于控制溶剂温度的恒温器10。

如图2所示，基体夹持台的台面与水平面形成0⁰-10⁰范围内的倾角。

实施例2

将实施例1固设在水平位移平台上的呈直线排列的平面透射镜组替换为固 设在水平转动平台15上，且阵列改为以转动平台的转轴为中心呈圆周排列，水 平转动平台为带有圆孔的遮光板，圆孔分别对应位于各平面透射镜正前方，圆孔 大小使得激光器可以照射到平面透射镜，经平面透射镜后可以实现对微梁的扫 描；如图5a、5b所示。

实施例3

实施例1或2的扫描系统的扫描方法，包括如下步骤：

1）将待测微悬臂梁阵列传感器放置在溶剂池中的基体夹持台上，基体夹持 台使微悬臂梁阵列呈倾斜方向排列，所述溶剂池密闭，顶部设有透明玻璃窗，溶 剂池通过进口管和出口管控制溶剂的进出；

2）调整并固定激光器的初始位置，同时调整水平位移平台或水平转动平台 的初始位置，使平面透射镜组中的唯一水平设置的平面透射镜位于激光器的正下 方，调整溶剂池的初始位置，使微悬臂梁阵列传感器中对应于所述唯一水平设置 的平面透射镜的微悬臂梁处于激光器正下方，从而使激光器的激光束经平面透射 镜透射后照射在该微悬臂梁的自由端，从而完成对该微悬臂梁自由端的扫描；

3）利用音圈电机带动水平位移平台做往复运动或利用步进电机带动水平转 动平台做旋转运动，使每一平面透射镜均经过激光器的正下方，通过不同倾角设 置的平面透射镜使激光器发射出的激光束经过透射后照射到对应微悬臂梁的自 由端，从而在不移动激光器和溶剂池的前提下，完成对所有微悬臂梁的扫描。

而扫描微悬臂梁自由端所反射的光斑通过光电位置敏感探测器11接收后经 过数据采集卡12后进入计算机13进行处理，即用光电位置敏感探测器时序接收 微悬臂梁阵列中各微悬臂梁的弯曲信号，从而监测各微悬臂梁上发生的实时反应 信息。以上所述的光电位置敏感探测器、采集卡、及计算机处理均采用本领域公 知的现有技术。

实施例4

以扫描检测8个微悬臂梁的微悬臂梁阵列传感器为例，微悬臂梁的间距（d） =0.25mm，选择厚度（h）=3mm、折射率（n）=1.5的平面透射镜8块，然后将其 按直线排列在水平位移平台上，然后根据如下方程组计算：

$\frac{h*\sin [\alpha \left(N\right)-\beta \left(N\right)]}{\cos \left[\beta \left(N\right)\right]}=|\frac{M}{2}-N|d---\left(1\right)$

$n=\frac{\sin \alpha \left(N\right)}{\sin \beta \left(N\right)}---\left(2\right)$

得到第1至第8平面透射镜与水平面形成的锐夹角依次为：36.7923°、 26.4182°、14.0033°、0°、14.0033°、26.4182°、36.7923°、45.4221°。 扫描时，通过可移动平台1调整并固定激光器的初始位置，同时调整水平位移平 台的初始位置，使平面透射镜组中的第4平面透射镜位于激光器的正下方，调整 溶剂池的初始位置，使微悬臂梁阵列传感器中第4微悬臂梁处于激光器正下方；

然后开启激光器，激光器发射的激光束经第4平面透射镜透射后照射在第4 微悬臂梁的自由端，从而完成对第微悬臂梁自由端的扫描；第4微悬臂梁反射的 激光束通过光电位置敏感探测器11接收后经过数据采集卡12后进入计算机13 进行分析处理；

然后通过音圈电机带动水平位移平台向右移动，第3平面透射镜、第2平面 透射镜、第1平面透射镜依次经过激光器的正下方，分别完成对第3微悬臂梁自 由端、第2微悬臂梁自由端、第1微悬臂梁自由端的扫描，第3微悬臂梁、第2 微悬臂梁、第1微悬臂梁反射的激光束通过光电位置敏感探测器11接收后经过 数据采集卡12后进入计算机13进行分析处理。

当第1平面透射镜经过激光器正下方后，音圈电机带动水平位移平台向左移 动，第1平面透射镜、第2平面透射镜、第3平面透射镜……第8平面透射镜依 次经过激光器的正下方，分别完成对第1微悬臂梁自由端、第2微悬臂梁自由端、 第3微悬臂梁自由端……第8微悬臂梁自由端的扫描，第1微悬臂梁自由端、第 2微悬臂梁自由端、第3微悬臂梁自由端……第8微悬臂梁自由端反射的激光束 通过光电位置敏感探测器11接收后经过数据采集卡12后进入计算机13进行分 析处理。

当第8平面透射镜经过激光器正下方后，音圈电机带动水平位移平台再向右 移动，如此往复，完成对每一微悬臂梁的快速多次扫描。