基于纳米修饰透射式光纤传感测试
《仪表技术与传感器》2011年总目次
黄
… … …
朝， 余岳辉 ， 俞
挺（ ８ ４— ）
黎
新， 陈育荣 ， 王生 怀（ ０—１ １ ）
喷水织机主轴位置 多路输 出集 成式磁编码器原理与应用 ……
… … … … … … … … … … …
还原再氧化工艺下 Ｂ ＴＯ ａｉ 基 Ｐ Ｃ Ｔ Ｒ元件 的密度与其 电性能
… … … … … … … … … …
微型热敏剪应力传感器 的温度补偿 …………………………… 杨少华 ， 马炳和 （ ９ ９— ） 压 电阵列式模态传感器 的实验研究 … …… … 毛崎 波（ ９—１ ） ２ 锑化铟磁 阻式接近开关特性分析 …… …… … 秦玉伟 （ ９—１ ） ５ 溶解热解前驱体 的处理对 ＳＯ 气敏性质 的影响 …………… ｎ：
… … … … … … … … …
庞士信 ， 王
超（ ５—１ ）
羽， 周
全 ， １ ７ 等（ ０— ）
勇 （０—１ ） １ ０
光纤位移传感器信号处理 电路 设计 ……………………………
… … … … … … … … … …
利用软磁合金实现动态扭矩非接触测量新方法 ………………
… … … … … … … … …
潘 国峰 ， 何
武
平， 王其 民， ４—１ 等（ ）
基于驻波调制方法 的新 型时栅 位移传感器 ……………………
… … … … … … … … … …
亮 ， 东林 ， 彭 陈锡侯 ， ４— ） 等（ ４
掺 杂 对 纳 米 ＳＯ ｎ 甲醛 敏 感 性 能 的 影 响 … … … … … … … … …
纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计
㊀２０２０年㊀第１２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．１２㊀基金项目：国家科技重大专项（２０１７ＺＸ０２１０１００６－００３）收稿日期：２０１９－１２－１０纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计龚士彬１，２，３，谢冬冬１，３，武志鹏１，３，宗明成１，２，３（１．中国科学院微电子研究所，北京㊀１０００２９；２．中国科学院大学，北京㊀１０００４９；３．中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室，北京㊀１０００２９）㊀㊀摘要：针对光刻机调焦调平传感器的高实时性数据采集的设计需求，设计了一种多通道同步采集的光电探测系统㊂该系统使用ＦＰＧＡ作为数据处理和逻辑控制核心，实现了２１个通道测量数据的实时采集和高速传输，与硅片台位置同步以保证测量数据与被测位置间的同步性，利用高速差分串行传输和ＰＣＩｅ协议完成数据的高速传输，并由上位机软件保存数据㊂实验结果证明该系统测量精度好于４ｎｍ，并可稳定采集调焦调平传感器的测量结果㊂关键词：光刻机；调焦调平；探测系统；同步性；实时数据采集；多通道中图分类号：ＴＰ２７４㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）１２－０００６－０４ＤｅｓｉｇｎｏｆＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃＤｅｔｅｃｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＦｏｃｕｓｉｎｇａｎｄＬｅｖｅｌｉｎｇＳｅｎｓｏｒｉｎＮａｎｏｓｃａｌｅＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＧＯＮＧＳｈｉ⁃ｂｉｎ１，２，３，ＸＩＥＤｏｎｇ⁃ｄｏｎｇ１，３，ＷＵＺｈｉ⁃ｐｅｎｇ１，３，ＺＯＮＧＭｉｎｇ⁃ｃｈｅｎｇ１，２，３（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ；２．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ；３．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＤｅｖｉｃｅｓ＆ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｌｅｖｅｌｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓｉｎｔｈｅｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｓｙｓｔｅｍ，ａｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡａｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅ２１ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｓａｎｄｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓ⁃ｓｉｏｎ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄｗｉｔｈｔｈｅｗａｆｅｒｓｔａｇｅｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｅｒｉａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＰＣＩｅｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗｈｅｎｓａｖｉｎｇｄａｔａｔｏｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ４ｎｍ，ａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｓｔａｂｌｙｃｏｌｌｅｃｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｌｅｖｅｌｉｎｇｓｅｎｓｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｍａｃｈｉｎｅ；ｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｌｅｖｅｌｉｎｇ；ｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ０㊀引言光刻机是集成电路生产制造过程中的关键设备之一㊂提高光刻机曝光分辨率通常有两种方式 缩短光源波长λ和增大数值孔径ＮＡ，但同时会造成镜头的焦深范围变小［１］㊂在２０／１４ｎｍ节点，关键光刻层的焦深已经只有６０ｎｍ左右，曝光时的对焦精度必须控制在１０ｎｍ以下［２］㊂为保证不离焦，光刻机在测量位置测量晶圆表面形貌，在曝光位置调整其曝光时的姿态［３］㊂光刻机利用调焦调平传感器测量晶圆高度，主流厂商都采用了基于光学三角法的测量技术［４］㊂ＡＳＭＬ公司的调焦调平传感器采用了归一化分时差分测量方法，将一组差分形式的测量光斑由光弹调制器分时成像在光电探测器上［５－７］㊂计算机根据测量结果计算出晶圆高度，绘制出晶圆表面的形貌图㊂国内研究机构和ＳＭＥＥ公司的光刻机均采用ＶＭＥ控制系统控制调焦调平传感器实现硅片形貌的测量和对焦控制㊂上述的调焦调平实现方法存在２个导致同步性差的因素：在分时差分测量方法中，前后两次所采数据实际对应晶圆上的不同位置，从而产生时延误差；操作系统的任务调度存在延时，造成测量的晶圆形貌与实际的晶圆形貌存在偏移㊂针对分时差分测量的缺点，本文提出一种基于空间分光的调焦调平传感器同步光电探测系统㊂本探测系统采用多通道同步采集方法进行光电转换，解决㊀㊀㊀㊀㊀第１２期龚士彬等：纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计７㊀㊀分时采集造成的时延误差；并针对软件延时造成的形貌偏差问题，在探测系统上引入硅片台位置同步机制，即使用硬件电路保存硅片台位置㊂１㊀调焦调平实现原理调焦调平传感器利用光学三角法和空间分光技术测量晶圆表面各个曝光区域内的高度，硅片台根据该高度数据调整晶圆的位置和姿态，以保证曝光区域位于焦深范围内㊂光学三角法的测量原理如图１所示，其中Ａ㊁Ｂ分别为投影光栅和探测光栅，ｈ１㊁ｈ２对应同一反射面在不同时刻的表面位置㊂在给定入射角α时，若反射面向下移动距离ｈ，反射光的位置对应移动Δｘ㊂根据式（１）所示的几何关系可算得反射面的相对位置㊂ｈ＝Δｘ２ｓｉｎα（１）空间分光的过程如图２所示，投影光栅的条纹由双远心成像系统成像在晶圆表面，晶圆表面反射后再次经过双远心成像系统成像在探测光栅㊂探测光栅图１㊀光学三角法高度测量原理图的前面板依次粘贴着偏振片和分光晶体，于是投影光栅像由偏振片起偏，分光晶体将起偏的投影光栅像分离为在垂直方向上相差半个条纹周期的ｏ光和ｅ光，如图２（ｂ）所示㊂随后经探测光栅调制形成图２（ｄ）所示条纹㊂根据光学三角法原理，晶圆表面高度的变化会造成投影光栅像在垂直于光栅条纹的方向上移动，从而改变调制后ｏ光和ｅ光通过探测光栅的比例㊂光栅像进入光电探测器前，利用渥拉斯顿棱镜将ｏ光与ｅ光在空间上完全分开，探测器即可同时采集ｏ光与ｅ光条纹的光强值㊂㊀（ａ）投影光栅像㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）半周期分光㊀㊀㊀㊀㊀（ｃ）经过探测光栅㊀㊀㊀㊀（ｄ）探测光栅像㊀（ｅ）空间分光图２㊀空间分光示意图空间分光后的ｏ光㊁ｅ光光强为Ｉｏ＝（Ｎ－｜Δｘ｜Ｐ）ｃ４｛Ｐ２［１＋２ｓｉｎｃ２（１２）］＋４Ｐπｓｉｎｃ（１２）ｓｉｎ（２πＰΔｘ）｝（２）Ｉｅ＝（Ｎ－｜Δｘ｜Ｐ）ｃ４｛Ｐ２［１＋２ｓｉｎｃ２（１２）］－４Ｐπｓｉｎｃ（１２）ｓｉｎ（２πＰΔｘ）｝（３）式中：Ｐ为光栅周期，μｍ；Ｎ为光栅条数；ｃ为组件（偏振片＋分光晶体）的透过率；Δｘ为晶圆表面高度的位移量，μｍ［８］㊂根据上述公式绘制晶圆表面高度与光强的关系曲线（图３），图（３）中Ｉｏ为ｏ光光强的归一化值，Ｉｅ为ｅ光光强的归一化值㊂０μｍ位置处ｏ光与ｅ光光强曲线相交，且为所有交点中的最大值，即在零位时ｏ光㊁ｅ光光强有最大的相等值㊂图３㊀光强与晶圆表面高度关系仿真晶圆表面高度值的计算公式为ｈ＝Ｇ（Ｉｅ－Ｂｅ）－（Ｉｏ－Ｂｏ）（Ｉｅ－Ｂｅ）＋（Ｉｏ－Ｂｏ）（４）式中：Ｂｅ与Ｂｏ为探测器的背景噪声；Ｇ为比例系数㊂Ｇ同光栅周期Ｐ㊁测量光入射角α的关系为㊀㊀㊀㊀㊀８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＤｅｃ．２０２０㊀Ｇ＝Ｐ／４２ｓｉｎα（５）基于上述空间分光测量原理以及调焦调平传感器的精度需求，设计了一种高精度㊁高实时性㊁多通道同步采集的光电探测系统㊂２㊀光电探测系统设计２．１㊀探测系统总体设计光电探测系统由光电二极管阵列㊁数据采集板㊁ＰＣＩｅ板和上位机软件组成，图４为总体框图㊂光电二极管阵列由紧凑排列的２１个高灵敏度探测区域组成，可将６００ １０００ｎｍ波长的光强值转换为电流信号，包括９对ｏ光㊁ｅ光探测区和３个粗对准探测区㊂数据采集板根据上位机和硅片台的指令，同步采集光电二极管产生的模拟信号，经１６ｂｉｔＡＤＣ模数转换后以数字信号的形式发送至位于上位机主板上的ＰＣＩｅ板㊂数据通过高速串行链路向ＰＣＩｅ板发送时，利用ＳＥＲＤＥＳ芯片以１０ｂｉｔ串并转换的方式，将高两位分别作为 测量数据有效 和 温度数据有效 控制信号，每个时钟发送１个字节的数据，保证每次采样完成后，将包括温度数据在内的４４个字节数据以ＭＳＢ方式有序传输㊂ＰＣＩｅ板从高速串行链路上恢复来自数据采集板的数据至片上ＲＡＭ，再通过ＰＣＩｅ协议发送至上位机，上位机上的光电探测系统测试程序可对数据进行保存㊂图４㊀总体关系图为了克服造成探测系统精度下降的两个因素：ｏ光与ｅ光之间存在采样延迟㊁硅片台实际位置与采样位置偏离，文中采用了 多通道同步采集 和 硅片台同步触发 这两项针对性设计㊂２．２㊀多通道同步采集设计传统的探测系统采集光强信号时采用分时采集的方式，每组ｏ光与ｅ光由同一个ＡＤＣ在间隔１μｓ的２个时刻先后采样㊂例如，在１ｘｎｍ光刻机内，为实现２５０／ｈ的产率，要求扫描速度为８００ｍｍ／ｓ［９］㊂依照该扫描速度，两次采样的实际位置相差８００ｎｍ㊂根据式（４）计算可知，对于时刻０位置的高度测量结果，由分时采集方式造成的偏差值约为时刻０与时刻１两个位置之间高度差值Δｈ的一半，即时刻０位置的测量值为真实值ｈ与偏差量Δｈ／２的和，这种偏差将在ｎｍ尺度下影响测量的精确性㊂本设计则采用同步采集方式，在收到采样脉冲后，探测系统同步采集２１路光强信号，克服了上述分时电路造成的测量结果偏差㊂２．３㊀硅片台同步触发设计本设计针对硅片台位置与实际采样位置存在的偏差，在探测系统上引入了硅片台同步信号㊂相比于使用软件读取硅片台位置，由探测系统的硬件电路接收硅片台的位置信号可减少软件处理信息所带来的延时问题，且硬件电路的延时较稳定㊂控制硅片台常用的操作系统是ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式系统，操作系统内任务切换时间最高接近２μｓ［１０］㊂本设计使用触发器电路处理硅片台同步信号的执行时间可缩小到百ｎｓ以内㊂具体实现方法是为硅片台的运动路径建立坐标，并对硅片台的控制电路进行编程：当运动至预定的测量位置时发出同步信号，光电探测系统处理这个同步信号时使用一个触发器提取出其上升沿，根据该上升沿触发数据采集和硅片台位置更新，硅片台位置更新由计数器实现㊂光电探测系统的实物如图５所示，数据采集板和ＰＣＩｅ板之间的互连线内集成了高速串行传输链路㊁１２Ｖ／２０Ｖ供电㊁ＲＳ４８５传输线㊂数据采集板的三段式柔性连接有利于位置固定和节省空间㊂图５㊀光电探测系统实物图３㊀实验验证３．１㊀背景噪声测试探测系统背景噪声数据如图６（ａ）所示，总计１８路探测光路数据和３路捕获光数据，图中选取了噪声最为明显的ｏ７光路㊂对连续的５００次采样数据进行㊀㊀㊀㊀㊀第１２期龚士彬等：纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计９㊀㊀分析后得到该噪声数据的３σ值为０．２５ｍＶ，该结果很好地满足了调焦调平实验平台对光电探测系统所规定的１ｍＶ指标要求㊂根据该数据进行精度分析㊂Ｉｏ＋Ｂｏ㊁Ｉｅ＋Ｂｅ两项与探测系统的输出的电压值之间为线性关系，因此直接将ｏ７光路数据及其对应的ｅ７光路数据带入式（４）中得到图６（ｂ）的高度曲线，可知探测系统在最糟糕情况下的高度数据３σ为３．７２ｎｍ，探测系统的噪声对精度的影响在ｎｍ量级㊂（ａ）原始电压值（ｂ）高度计算值图６㊀探测系统背景噪声３．２㊀硅片台同步触发测试利用Ｖｉｖａｄｏ集成逻辑分析仪（ＩＬＡ）在线抓取硅片台同步脉冲信号ＳＹＮＣ＿ＳＩＧ㊁硅片台同步脉冲边沿检测信号ＳＹＮＣ＿ＰＯＳ㊁硅片台位置计数器ＰＯＳＩＴＩＯＮ㊁采集信号ＤＡＴＡ＿Ｅ０ ＤＡＴＡ＿Ｅ８和ＤＡＴＡ＿Ｏ０ ＤＡＴＡ＿Ｏ８㊂如图７所示，游标Ｔ所在时刻，光电探测系统接收到ＳＹＮＣ＿ＳＩＧ输入脉冲，ＳＹＮＣ＿ＰＯＳ寄存器提取出输入脉冲的上升沿作为采集的启动信号和硅片台位置更新的信号，等待ＡＤＣ芯片完成模数转换后更新测量数据㊂从硅片台位置脉冲到达光电探测系统开始至硅片台位置更新，这个过程的延迟为６０ ８０ｎｓ，延迟主要产生在异步信号的处理过程㊂图７中采样结果的产生时刻也表明ｏ光与ｅ光为多通道同步采样㊂３．３㊀调焦调平在线测试在调焦调平实验平台上对探测系统进行测试，测试结果如图８所示，放置晶圆的位移台在Ｚ方向上从相对调焦调平实验平台零位的下方７５μｍ处向上移动至零位的上方７５μｍ处，复现了图３的仿真曲线㊂测试结果中的偏置是由于光学背景噪声和机械装配误差造成的，但因为测量信号的形式是差分光强，所以共模干扰不会对计算结果产生影响㊂图７㊀硅片台同步触发信号时序图图８㊀探测系统测量结果４㊀结束语本文基于ＦＰＧＡ设计了一种用于光刻调焦调平传感器的光电探测系统，实现了实时采集光刻调焦调平传感器测量数据㊂根据空间分光原理对２１路模拟数据同步采集，解决了分时采集所产生的时延误差；引入硅片台同步信号，提高了测量值与测量位置之间对应的精度；并针对探测系统背景噪声和（下转第１５页）㊀㊀㊀㊀㊀第１２期师琪等：基于光纤光栅传感器的智能螺栓开发及应用１５㊀㊀Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ａｎｄＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍｓ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，２００５，５７６５：３６４－３７６．［２４］㊀ＡＭＥＲＩＮＩＦ，ＢＡＲＢＩＥＲＩＥ，ＭＥＯＭ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇｌｏｏｓｅ⁃ｎｉｎｇ／ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｏｆｃｌａｍｐｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇｎｏｎｌｉｎｅａｒｖｉｂｒａ⁃ｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．Ｓｍａｒｔｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１０，１９（８）：０８５０１３．［２５］㊀ＲＥＮＬ，ＦＥＮＧＴ，ＨＯＭ，ｅｔａｌ．Ａｓｍａｒｔ ｓｈｅａｒｓｅｎｓｉｎｇ ｂｏｌｔｂａｓｅｄｏｎＦＢＧｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１８，１２２：２４０－２４６．［２６］㊀ＬＩＨＮ，ＬＩＤＳ，ＳＯＮＧＧＢ．Ｒｅｃｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｓｔｏｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｃｉｖｉｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００４，２６（１１）：１６４７－１６５７．［２７］㊀ＲＡＯＹＪ．Ｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｉｎ⁃ｆｉｂｒｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓａｎｄｌａｓｅｒｓｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，３１（４）：２９７－３２４．［２８］㊀ＰＥＩＨＦ，ＴＥＮＧＪ，ＹＩＮＪＨ，ｅｔａｌ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｐｒｅｖｉｏｕｓｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｏｒｓｉｎｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１４，５８：２０７－２１４．［２９］㊀ＬＡＵＫＴ．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｆｏｒｓｍａｒｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｕｓｉｎｇｅｍｂｅｄｄｅｄＦＢＧｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３０（１３）：１６４２－１６５４．［３０］㊀ＲＯＶＥＲＩＮ，ＣＡＲＣＡＴＥＲＲＡＡ，ＳＥＳＴＩＥＲＩＡ．Ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｍｏ⁃ｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｒａｉｌｗａｙｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇｆｉｂｒｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２０１５，６０：１４－２８．［３１］㊀黄永阔．基于光纤光栅的高温法兰螺栓紧固力测量技术研究［Ｄ］．上海：华东理工大学，２０１７．［３２］㊀王永洪，张明义，张春巍，等．夹持式封装低温敏ＦＢＧ应变传感器的设计［Ｊ］．传感技术学报，２０１８，３１（３）：３４７－３４９．［３３］㊀任亮，李宏男，胡志强，等．一种增敏型光纤光栅应变传感器的开发及应用［Ｊ］．光电子．激光，２００８（１１）：１４３７－１４４１．［３４］㊀任亮，姜涛，李东升，等．微型ＦＢＧ应变传感器在大坝模型试验中的应用［Ｊ］．振动．测试与诊断，２０１３，３３（２）：２７７－２８３；３４１．［３５］㊀贾子光，任亮，李宏男，等．应用光纤光栅传感器监测复合材料固化过程［Ｊ］．中国激光，２０１０，３７（５）：１２９８－１３０３．［３６］㊀ＲＥＮＬ，ＣＨＥＮＪ，ＬＩＨＮ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｅｎｈａｎｃｅｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｔｈｅｓｍａｌｌ⁃ｓｃａｌｅｄａｍｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００９，１８（３）：０３５０１５．［３７］㊀徐望国，罗青，杨智，等．衡阳市湘江盾构隧道管片结构受力分析［Ｊ］．矿业工程研究，２０１８，３３（３）：５８－６３．［３８］㊀林荣安，刘伯莹．富水淤泥质软土地层盾构隧道管片受力特征研究［Ｊ］．中国公路学报，２０１８，３１（９）：１１２－１１８．［３９］㊀姜燕，杨光华，陈富强，等．湛江湾高水头跨海盾构隧道管片结构典型断面受力计算与监测反馈分析［Ｊ］．岩土力学，２０１８，３９（１）：２７５－２８６．［４０］㊀林伟波，杨小平，严振瑞，等．湛江湾跨海盾构隧道管片变形与受力分析［Ｊ］．隧道建设，２０１６，３６（３）：２８８－２９４．［４１］㊀陈晓坚．跨海地铁盾构隧道管片结构受力分析［Ｊ］．南昌航空大学学报（自然科学版），２０１４，２８（４）：６７－７１．作者简介：师琪（１９９６ ），硕士研究生，主要研究方向为光纤光栅传感器的应用㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：２７１２０２２９２２＠ｑｑ．ｃｏｍ任亮（１９７９ ），副教授，主要从事结构健康监测的关键技术研究，光纤传感器的开发及应用㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｒｅｎｌｉａｎｇ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第９页）平台数据采集做了测试㊂结果表明：该系统可以在满足精度要求的条件下稳定地将调焦调平传感器所产生的光强信号采集至上位机，测量精度高于４ｎｍ（３σ），满足调焦调平传感器光电探测系统的设计要求㊂参考文献：［１］㊀姚汉明，胡松，邢廷文．光学投影曝光微纳加工方法［Ｍ］．北京：北京工业大学出版社，２００６：６１－６２．［２］㊀韦亚一．超大规模集成电路先进光刻理论与应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１６：１１７－１１９．［３］㊀ＢＯＯＮＭＡＮＭ，ＶＡＮＤＥＶＩＮＣ，ＴＥＭＰＥＬＡＡＲＳＳ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆａｄｕａｌｓｔａｇｅｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］．ＳＰＩＥ，２００４，５３７７：７４２－７５７．［４］㊀曾爱军，王向朝，徐德衍．投影光刻机调焦调平传感技术的研究进展［Ｊ］．激光与光电子学进展，２００４，４１（７）：２４－３０．［５］㊀ＭＯＤＤＥＲＭＡＮＴＭ，ＮＩＪＭＥＩＪＥＲＧＪ，ＪＡＳＰＥＲＪＣＭ．Ｏｆｆ⁃ａｘｉｓｌｅｖｅｌｉｎｇｉｎｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎａｐｐａｒａｔｕｓ：７２０６０５８Ｂ２［Ｐ］．２００７－０４－１７．［６］㊀ＤＥＮＢＯＥＦＡＪ，ＢＥＮＳＣＨＯＰＪＰＨ，ＢＲＩＮＫＨＯＦＲ，ｅｔａｌ．Ｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒ，ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃａｐｐａｒａｔｕｓ，ａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｕｒｆａｃｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ：ＵＳ２０１３／００７７０７９Ａ１［Ｐ］．２０１３－０３－２８．［７］㊀ＶＡＮＤＥＲＷＥＲＦＪＥ．Ｏｐｔｉｃａｌｆｏｃｕｓａｎｄｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒｆｏｒｗａｆｅｒｓｔｅｐｐｅｒｓ［Ｊ］．ＪＶａｃＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌＢ，１９９２，１０（２）：７３５－７４０．［８］㊀孙裕文，李世光，宗明成．基于空间分光的纳米级调焦调平测量技术［Ｊ］．光学学报，２０１６，３６（５）：１０５－１１２．［９］㊀ＢＯＲＮＥＢＲＯＥＫＦ．ＥｘｔｅｎｄｉｎｇＡｒＦｉｉｍｍｅｒｓｉｏｎｓｃａｎｎｅｒｃａｐａｂｉｌｉｔｙｉｎｓｕｐｐｏｒｔｏｆ１ｘｎｍｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｎｏｄｅｓ［Ｃ／ＯＬ］．ＳＰＩＥＡｄｖａｎｃｅｄｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ．（２０１４－０３－０５）．ｈｔｔｐ：／／ｓｔａｔｉｃｗｗｗ．ａｓｍｌ．ｃｏｍ／ｄｏｃｌｉｂ／ｍｉｓｃ／ａｓｍｌ＿２０１４０３０６＿Ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ＿ＡｒＦｉ＿ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ＿ｓｃａｎｎｅｒ＿ｃａ⁃ｐａｂｉｌｉｔｙ＿ｉｎ＿ｓｕｐｐｏｒｔ＿ｏｆ＿１ｘｎｍ＿ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ＿ｎｏｄｅｓ．ｐｄｆ．［１０］㊀毕延帅．面向双工件台的ＶｘＷｏｒｋｓ实时嵌入式系统设计与优化［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１３．作者简介：龚士彬（１９９４ ），硕士研究生，主要从事光刻技术与电控方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｇｏｎｇｓｈｉｂｉｎ＠ｉｍｅ．ａｃ．ｃｎ通讯作者：宗明成（１９６３ ），研究员，博士，主要从事光刻技术㊁精密测控技术㊁精密计量等方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｏｎｇｍｉｎｇｃｈｅｎｇ＠ｉｍｅ．ａｃ．ｃｎ。
基于片上工艺的MOEMS光强差分测量加速度计研究
基于片上工艺的MOEMS光强差分测量加速度计研究薛国芳;张培彦【摘要】论证了一种基于SOI(Silicon On Insulator)片上工艺的,通过光强差分测量加速度的微光机电系统(MOEMS)加速度计.器件主要结构为较大悬浮质量块对称两端加工出两面V型反射镜.系统整个微机械结构在细直弹性梁支撑下,因受惯性力作用V型镜发生位移改变,从而将引入系统中的光信号进行差分反射.最后,通过外部光电探测器测量出各通路光纤的光强信号来测算加速度值.片上微加工所得的器件经实验测量得到了:7.77×10-2μm的结构灵敏度,1.38 kHz谐振频率,3.73 mV/gn 器件灵敏度和0.987的线性度.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2018(041)005【总页数】6页(P1130-1135)【关键词】微光机电系统(MOEMS);光强差分测量;加速度计【作者】薛国芳;张培彦【作者单位】北京航空航天大学惯性技术重点实验室,北京100191;郑州旅游职业学院机电工程系,郑州450009;北京航空航天大学惯性技术重点实验室,北京100191【正文语种】中文【中图分类】O657.3近年来,高性能集成加速度传感器得到了大力发展。
基于各种检测原理的加速度传感器,如电容式[1-5]、压阻式[6]、压电式[7]和光学型[8-15]被广泛用于汽车[16],航空航天[17]和消费电子产品[18]等领域。
压阻式与电容式传感器虽然技术成熟,应用广泛,但是热稳定性,以及恶劣环境中抗电磁干扰能力等劣势在原理上严重制约了传感器的性能,而光学加速度计由于自身以光信号为检测信号,在高灵敏测量以及抗电磁干扰上有较为明显的优势。
集成片上光学加速度计是一种基于微机电系统(MEMS)工艺的片上系统,通常也被称为微光机电系统(MOEMS)。
它主要利用光弹性效应[8]、波长调制[9-11]、强度调制[12-13],相位调制[14]等手段,通过检测惯性系统内悬浮质量块的位移变化,使之转化为光学量的变化,从而实现对加速度的测量。
基于纳米技术的新型光学传感器研究
基于纳米技术的新型光学传感器研究在科技的飞速发展过程中，纳米技术已经成为各个领域的研究热点。
其中，基于纳米技术的新型光学传感器在光学检测领域引起了广泛关注。
本文将从纳米技术的原理出发，探讨新型光学传感器的优势和应用前景，同时介绍了一些相关的研究成果。
纳米技术作为一种独特的技术手段，可以在纳米尺度上对材料进行精确控制和调控。
在光学传感器的研究中，纳米技术可以通过构筑纳米结构，调控光的传播和相互作用方式，从而实现对光学信号的高灵敏度检测。
相比传统的光学传感器，基于纳米技术的新型光学传感器具有以下明显优势。
首先，基于纳米技术的新型光学传感器具有高灵敏度的特点。
纳米材料可以引起光的局域场增强效应，从而使信号的检测灵敏度大大提高。
例如，金属纳米颗粒在可见光范围内具有表面等离激元共振效应，当用于传感器中时，可以显著提高传感器的灵敏度，并且实现单分子级别的检测。
其次，基于纳米技术的新型光学传感器具有快速响应的特点。
纳米结构的尺寸小，能够实现实时的光学信号检测和响应。
与传统光学传感器相比，基于纳米技术的光学传感器响应速度更快，适用于实时监测和快速检测的应用场景。
此外，基于纳米技术的新型光学传感器还具有高度可定制化和集成化的优势。
通过调控纳米结构的形貌和组合，可以实现对传感器的多参数探测和定制。
同时，纳米技术还可以与其他技术手段结合，实现光学传感器的多功能集成，提高整体性能。
基于纳米技术的新型光学传感器具有广泛的应用前景。
例如，在生物医学领域，通过纳米材料在细胞水平上的应用，可以实现对生物标志物的高灵敏度检测，用于疾病的早期诊断和治疗监测。
在环境监测领域，基于纳米技术的光学传感器可以实现对有害气体和水体中微量污染物的高效检测和监测。
在光通信领域，纳米结构的应用可以提高光信号的传输效率和容量，实现更高速度和更稳定的数据传输。
目前，基于纳米技术的新型光学传感器的研究已经取得了一些重要的成果。
例如，研究人员通过纳米结构的设计和操控，成功开发出了具有高灵敏度和快速响应的纳米光子晶体传感器。
光纤传感实验报告
实验一 LD光源的P-I特性曲线
本实验将所测电流数据作为横坐标，功率作为纵坐标，利用MATLAB编程，得到下图所示的P-I曲线：
实验结果分析：
通过比较在不同步长下的P-I特性曲线，我们发现，步长越小，曲线越趋于直线，即相对精度越高。
同理，步长越大，曲线失真度越严重。
实验二透射式横（纵）向光纤位移传感本实验采用发射光纤不动，接收光纤移动的办法，实现光纤被横向位移和纵向位移调制。
当z固定时，得到的是横向位移传感特性参数，当r取定（r=0）,则得到纵向位移传感特性函数。
下图是光纤芯径-相对光强图和强度调制图：
上图（1），纵坐标为相对光强，横坐标为r/D. D为光纤直径,其值为D=0.5nm
上图（2），纵坐标为相对光强，横坐标为z.
实验三反射式光纤位移传感
本实验是利用光纤传感实验系统构成的反射式光纤位移传感器，对微小位移量进行测量。
下图是反射式调制特性曲线图：
实验结果分析：
本实验由发射光纤发出的光照射到反射材料上，通过检测反射光的强度变化，就能测出反射体的位移。
光纤传感器的应用举例
水管 重物
d
h
l
3 光纤流量、流速传感器
当每个漩涡产生并泻下时，它会在光纤上产生一 种侧向力，这样就有一个周期力作用在光纤上，使其 振动。野外的电线等在风吹动下会嗡嗡作响，就是这 种现象。实验证明，光纤振动的频率由下式得出
f s / d (8.23)
式中，为流速；d为光纤直径；s为斯特罗哈数(无量
1
反2 射 AA 3
CC
光 MM
4
强 BB
DD
段，偏置工作点在M，被 测物体的反射面与光纤端 面之间的初始距离是M点
所对应的距离XM。由曲线
可知，随位移增加光强增
X MM
位移
加，反之则光强减少，故
1—随机分布；2—对半分布；
3—同轴分布；4—同轴分布 由此可确定位移方向。
2 光纤位移传感器
光纤位移传感器一般用来测量小位移。最 小 能 检 测 零 点 几 mm 的 位 移 量 。 这 种 传 感 器 已 在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等 测量中得到应用，它还可用来测量微弱振动， 而且是非接触测量。
ff1
fDf f1+Df
3 光纤流量、流速传感器
典型的光纤血流传感器可在0～1000 cm/s速度 范围内使用，空间分辨率为100 mm，时间分辨率为 8 ms。光纤血流传感器的缺点是光纤插入血管中会 干扰血液流动，另外背向散射光非常微弱，在设计 信号检测电路时必须考虑。
4 光纤磁传感器
按工作原理可分为：①根据法拉第磁光效应直 接实现磁光转换，②根据磁致伸缩效应，利用力或 其他物理量间接实现磁光转换。 1.利用法拉第磁光效应的光纤传感器
4 光纤磁传感器
设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹 角为45 ，这样D1和D2光电管接收的光强为
基于光纤微机电系统的纳米级测量技术
米尺度的评价、 成分 分 析 、 结 构和 微 物 理 性 质 的 纳米 尺 度 测 量 等 众多 内 涵 。 米 测量 技术对 于 纳米 材料 的发 纳 展 、 米器 件 的研 究和 纳米 系统 的开 纳
发具 有重要 意义 。
点。 以 ， 所 光纤传感器一 出现就受到 了 极 大重视 ， 如今 ， 各种 光纤传感器 己在 许多领域得到应 用。
微机 电系统 （ ｃ ｏ Ｍｉ ｒ Ｅｌ ｃ ｒ — ｅ ｔｏ Ｍｅｈ ｎ ｃｌ ｙ ｔｍ， ＭＳ 技术是 ｃ ａ ｉａ Ｓ ｓｅ ＭＥ ）
器 已可 测 出 ５ Ｏ ｍ的微 位 移 ， ×ｌ 一“ 线
二 、光纤微 机 电系统纳米 级测
量 原理
２ 世 纪 ７ 年 代 ， 随着光 纤通 信 ０ ０ 伴 技术 的 发展 ， 光纤 传感 技术也 迅速 发
展起 来 。 由于 光纤 传感 器是用 光信 号
的 电容 式位移控制微悬 臂原子力显微 镜， 已经在德 国联 邦物 理技 术研 究 院
（ ＴＢ） Ｐ 进行 了一 系列称为纳米级尺寸 精度 的计划项 目 ； 国Ｃ ｒ ｎ 等 英 ｈｅ ｗｙ ｄ 人 利用Ｘ光干 涉仪对 标准波 长进行 细
２ 电学测量技术 ．
电学 测 量 技 术 中的 电阻法 属 于 接 触测量 。 电容 法是 根据 平板 电容 与 两极板 间 的间距 成反 比的 关系 ， 通过 测量 两 极 板 间 的 电容变 化 来 精 确 测 量板极 间的间距 ， 种方 法为 非接 触 这 测量 ， 测量 精度 较 高 。 电容 传 感 器 是 近 年 来发 展 最快 的用 以测量 微 位 移
的方 法 之 一 。 目前 ， 三 端 电容 传感 用
光纤传感技术(全)
设备故障诊断
通过光纤传感器对设备运行过程中 的振动、温度、压力等参数进行实 时监测，实现故障预警和远程诊断 。
环境监测
在工业生产环境中，光纤传感器可 用于监测气体、液体、固体等环境 参数的变化，确保生产安全。
能源环保领域应用
油气管道监测
光纤传感器可用于油气管道的泄漏监测和定位，提高管道运输的安 全性和环保性。
02
光纤传感器类型及性能参数
点式光纤传感器
工作原理
利用光纤传输光信号，通过测量光信号在光纤中 传输时的变化来感知和测量被测物理量。
主要类型
包括反射式、透射式和干涉式等。
应用领域
广泛应用于温度、压力、位移、振动等物理量的 测量。
分布式光纤传感器
工作原理
利用光纤中传输的光信号 受到被测物理量的调制， 通过检测光信号的变化实 现分布式测量。
电力系统监测
在电力系统中，光纤传感器可用于监测电缆、变压器等设备的温度 、应变和振动等参数，确保电力系统的稳定运行。
新能源应用
光纤传感器可用于风能、太阳能等新能源设备的监测和控制，提高能 源利用效率和环保性。
生物医学领域应用
1 2 3
医疗诊断
光纤传感器可用于医疗诊断和治疗过程中，如内 窥镜、激光手术等，实现对人体内部生理参数的 实时监测。
发展历程
自20世纪70年代光纤传感技术诞生以来，经历了从实验室研究到商业化应用的逐步成熟过程。随着光 纤制造、光电子器件和信号处理技术的不断进步，光纤传感技术的性能不断提高，应用领域也不断扩 展。
光纤传感技术原理及特点
01 原理
02 高灵敏度
03 抗电磁干扰
04
05
耐腐蚀、耐高温 分布式测量
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权状尖端 ， 在每个 尖端 上都 有表 面等离 子共 振效应 ， 意 味着 这 有增强效应 的点更 多 ， 以增 强效 果 比较强 ｎ ］ 所 ” 。利 用这个 原理可 以制备基 于 Ｓ Ｒ Ｅ Ｓ效应 的传 感器 ， 它具 有无 污染 、 时、 实 高灵敏度微量检 测 的优 点 ， 以广泛应 用于 食 品安 全检 测 、 可 生 物检测 、 细胞 标记 、 分子 动力学研 究及疾 病诊 断等方面 。鉴 于此 ， 结合金 属纳米颗粒的光学性质 和光纤传感 的特性设计 了 透射式光纤传感 ， 并用 其对 试剂 进行测 试 ， 并对其 进行 透射谱 和拉曼谱分析 。
图 １ 示。 所
配制的体 积 比 １ ４的双 氧水和 浓硫酸 的混合 溶液 中 ， ： 浸泡 ３ ０
ｍｉ ｎ．
（） ３ 将光纤用镊子从双 氧水和浓 硫酸 的混合 溶液 中取 出 ， 先 用去离子水冲洗 ， 再用 乙醇溶液冲洗干净 。
（） ４ 用移液器 量取 ２ｍＬ的 Ａ Ｔ Ｓ和 ２ ＰＥ ０ｍＬ乙醇 ， 注入 培
ｍｅ ｉ ｍ ， ｎ ｈ ａ ｏ ａ ｔ ｌｓｆ ｅ － ｐ ｒ ｅ ｃｔｄ Ｓ ｄｕ ａ ｄｔｅｎ ｎ ｐ ｒ ｃｅ ｂ ｒｔ ｅ － ｘ ｉｅ ＥＲＳ ｓ ｂ ｔ ｔｓ ｅ ｈ ｂｔａ ｓｇ ｉ ｃ ｎ ｎ ａ ｃ ｍｅ ｆｔｅ Ｒ ｍａ ｐ ｃｒ ｍ． ｉ ｉ ａ ｕ ｓ ａｅ ｘ ｉ ｉ ｉｎｆ ａ ｔ ｈ ｅ ｎ ｏ ａ ｎ ｓ ｅ ｔ ｒ ｉ ｅ ｎ ｔ ｈ ｕ
种子溶液制 备 ： １ Ｌ０ Ｏ ％的氯 金 酸和 ０ ３ ％ 在 ０ｍ ． １ ．５ｍＬ１ 柠檬 酸三钠 混 合溶 液 中加入 ０３ ｍ ． Ｌ冷 冻的 硼氢化 纳搅 拌制
基金项 目： 省留学归国人 员基金项 目资助（ 目 山西 项 批准号 ：６ ６） 收稿 日期 ： １ — ２ ２ 收修改稿 日期 ： １ — ５ １ ２ １ ０—１ ０ ２ １ ０—６ ０
９ ％ ） 以上试 剂 均 为 分 析 纯 ， 次 去 离 子 水 经 超 纯 水 装 置 ９ ， 二
表现出特殊 的光学性 质
。 当光照 射在 纳米 金 或纳 米银 颗
（ｕ ｃ ） Ｐｒ － 净化后使用 ， ｉｚ 电阻率为 １． ｎ ・ｍ ８２Ｍ ｃ．
主要仪器与设备有 ： 拉曼光谱仪 （ ｅｉ ａ ， Ｒ ｎｓ ｗ） 光谱仪 （ ｈ 卓立 汉光 Ｓ Ｐ ０ ） 透射 电子显微镜 （ Ｂ５０ ， 日立 Ｈ一６０型） 场发射 扫描 ０ ， 电子显微镜 （ 一４０ ）水 浴锅 等。 Ｓ ７０ ，
（ 中北大 学电子测试国家重点实验室 ， 山西太原 ００５ ） ３０ １
摘 要 ： 于金属 纳米颗粒结构的光 学特性 ， 基 结合光纤传感技术 ， 对金 属纳米颗粒的光 纤传感特性进行 了研 究。 实验 中 采 用种子溶液生长法合成 了粒径在 ６ ８ ｍ的星形纳米金颗粒 ， ０～ Ｏｎ 以此作 为光 纤传 感敏 感部 分的修 饰体 ， 饰到锥 形光 修
Ｔｅ ｔｎ ｎ Ｔｒ ｎ ｍｉｓｏ ｂ ｒ Ｏｐ ｉａ ｅ ｓ ｒ Ｂａ ｅ ｎ Ｎａ ｏ ｍｏ ｉ ｅ ｓｉ ｇ ｏ ａ ｓ ｓｉ ｎ Ｆｉ ｅ ｔ ｌＳ ｎ ｏ ｓ ｄ ｏ ｎ － ｄ ｆ ｄ ｃ ｉ
Ｙ Ａ ａ —ｎ ， Ｕ ｈｎｙｎ ， Ｎ ｉｕｎ Ｕ Ｎ Ｙ ｈｌ ｇＸ Ｅ Ｃ ｅ－ａｇ ＷＡ Ｇ Ｈｕ ｊａ ｉ －
１ 星状 金纳米颗粒的制备
１ １ 试 剂 ．
早在 中世纪 ， 金属纳米颗粒 的光 学特性 就引起 了人 们 的关 注， 它对 特定 波长 可 见光 的选 择性 吸 收呈 现 出丰 富多 彩 的颜 色， 被用来制作教 堂的彩色玻璃” 。局域 表面等离 子体共振 是 Ｊ 贵金属纳米粒子 的重要 光学 特征 ， 它对颗粒 的尺寸 、 状、 粒 形 颗 间距 及周 围的介 电环境 等因素都极 为敏 感 ， 同时也使 金属纳 米
Ｋｅ ｒ ｓｓ － ａｅ ｏｄｎ ｏａｔ ｌ ；ａｏｍ ｄｆ ｄ ｔ ｎｍ ｓｉ ｂ ｒ ｐ ｃ ｅｓｒＳ Ｒ ｙｗｏｄ ： ａ ｓ ｐ ｄｇ１ ａ ｐｒｃ ｓｎ — ｏ ｉｅ ；ａ ｓ ｉ ｏ ｆ ｅ ｔ ａ ｓｎｏ ；Ｅ Ｓ ｔ ｈ ｒ ｎ ｉｅ ｎ ｉ ｒ ｓ ｎｉ ｏ ｉｌ
０ 引中尤其是 金和银 ， 当尺度 达 到 Ｂ ｉ 的时候 会 ｎ级
氯金酸 （ Ａ Ｃ ・ Ｈ Ｏ，９ ） 柠檬 酸三 钠 （ ａ ６ ５ ７・ Ｈ ｕ１ ４ ２ ９ ％ ， ＮＣ Ｈ Ｏ
２ Ｏ，９ ） 硝酸银 （ ｇ Ｏ ，９ ） 抗坏 血 酸维 Ｃ（ ６ ８ ６ Ｈ２ ９ ％ ， Ａ Ｎ ３９％ ， ＣＨ０， ９ ％ ） 溴化 十六烷三 甲基铵 （ Ｔ Ｂ，９ ） 硼氢化纳 （ ａ Ｈ ， ９ ， Ｃ Ａ ９％ ， Ｎ Ｂ
１２ 颗粒制备 ．
粒上时会产生局 域表 面等 离子 体共 振效 应 （ Ｓ Ｒ） 并 且对 光 ＬＰ ， 具有很强 的吸收和散射 特性 ， 具有 明显 的 Ｓ Ｒ Ｅ Ｓ效应 ＿ 。把 纳 ８ Ｊ
米颗粒修饰到光纤表 面作 为增强基底加 入到待 测试剂 ， 待测 分
子吸附在具有增强效应 的点 上信号便会 被放大增 强 ， 即表 面增 强拉 曼散射效应 （ Ｅ Ｓ Ｊ Ｓ Ｒ ） 。星形金纳 米颗粒 由于具 有多个 枝
２ １正 ０１
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｔｕ ｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
２ １ ０１
ＮＯ ７ ．
第 ７期
基 于 纳米 修饰 透 射 式 光 纤传 感 测试
袁艳 玲 ， 薛晨 阳 ， 慧娟 王
（ ａｉｎ ｌ ｙＬ ｂ ｒ ｔｒ ｒＥｅｔｏ ｉ Ｍｅｓ ｒｍｅｔＴ ｃ ｎ ｌｇ Ｎｏｔ ｉｅｓ ｙｏ ｈｎ ， ａｙ ａ ３ ０ １ ｃｉ８ Ｎ ｔ ａ ａ ｏａｏ ｙｆ ｌｃｒｎｃ ａｕｅ ｎ ｅｈ ｏｏｙ， ｒｈＵｎｖｒｉ ｆＣ ｉａ Ｔ ｉｕ ｎ０ ０５ ，ｈｎ ） ｏ Ｋｅ ｏ ｔ
纤表 面作 为表 面拉 曼增强基底 。最后 选取 了不 同浓度的酒精溶液对其进行 了透射谱 和拉 曼谱测试 ， 结果表 明金 属纳米颗 粒 的激发谱 对周 围介质特性非 常敏 感 ， 同时对基 于金属 纳米颗粒锥形 Ｓ Ｒ 基底 的拉 曼谱 存在 非常 高的增强。 ＥＳ
关键词 ： 星形纳米金颗粒 ； 纳米修饰 ； 透射式光 纤传感 ；Ｅ Ｓ ＳＲ 中图分 类号 ：Ｐ １ Ｔ２２ 文献 标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ ２—１４ （０ １ ０ ００ — ３ １０ ８ １ ２ １ ）７— ０ １ ０
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中。取水浴锅混合液 ０ ５ｍＬ ５ｍＬ ５ Ｌ分别 加入抗 坏血 酸 ． 、 、０ ｍ
中。再用另一量筒量取 ５ｍ Ｌ浓度 为 ３ ％ 的 Ｈ Ｏ ， ０ ： ： 注入盛有 浓 Ｈ Ｓ 的培养皿 中。因浓 Ｈ ｓ 和 Ｈ Ｏ 均有很强 的氧化性 和 ０ ：０ ：：
维 Ｃ ＣＨ８ ６ ０ ０ Ｌ ０ ３ｍ 、 ｍ （ ６ Ｏ ）． ３ｍ 、． Ｌ ３ Ｌ中制的生长溶液 ， 分别标
记 为 Ａ、 Ｃ生长液。 Ｂ、
腐蚀性应小 心操作 ， 必须佩戴防酸碱橡胶手套 ， 以免造成意外 。
（ ） 经过拉 制的锥形光 纤用 乙醇清洗 后 ， ２将 浸入 如上所 述
在 ０１ ． ｍＬ种子溶液 中逐次加入 Ａ、 、 Ｂ ｃ生长液后静置 ２ ４ｈ
即可制 的粒径在 ６ ８ ｍ 的星状纳米金颗粒 ， ｏ～ ０ｎ 其形貌图如
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的。
生长溶液制备 ： ０ ２ ＬＬＨ ｕ １ ４ 在 ．５ｍｏ／ Ａ Ｃ ・ Ｈ ０中逐 次加入
２
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Ｊ １２ １ ｕ． ０ １
０ １ｍｏ ＬＣ Ａ ０ ０ ｏ／ ｇ Ｏ 混 合 搅 拌保 存 在 水 浴锅 ． ｌ Ｔ Ｂ、．４ ｍ ｌＬＡ Ｎ ３ ／
ｓ ａ ｅ Ｆ ｎ ｌ ，ｒｎ ｍｉｓｏ ｐ ｃｒ ｍ ｎ ｍａ ｐ ｃ ｒ ｍ ｒ ａｒｅ ｕ ｎ ｄ ｆ ｒ ｎ ｏ ｃ ｎｒ ｔ ｎ ａｃ ｈ ｌｓ ｌ ｔ ｎ Ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｔ ｔ ． ｉ ａ ｙ ｔａ ｓ ｓ ｉｎ ｓ ｅ ｔ ｒ ｌ ｕ ａ ｄ Ｒａ ｎ ｓ ｅ ｔ ｕ ｗｅ ｅ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔ ｉ ｅ ｅ ｔｃ ｎ ｅ ｔ ｉ ｏ ｏ ｏｕ ｉ ． ｉ ａｏ ｌ ｏ ｈ ｘ ｅｉ — ｍｅ ｔｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ｅ ｔ ｃｉ ｎ ｓ ｅ ｔ ｍ ｆｓ ｌ ａ ｏ ａ ｔ ｌｓ ｉ ｖ ｒ ｅ ｓｔ ｅ ｔ ｈ ｉ ｌｃｒｃ ｐ ｏ ｅ ｔ ｓｏ ｅ ｓ ｒｏ ｎ ｉ ｇ ｎ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗｓｔ ａ ｈ ｘｉ ｔ ｐ ｃｒ ｎ ｏ ｕ ｏ ｏ ｄ ｎ ｐ ｒｉ ｅ ｓ ｅｙ ｓ ｎ ｉ ｖ ｏ ｔ ｅ ｄ ｅｅ ｔ ｒ ｐ ｒ ｅ ｆｔ ｕ ｒ ｕ ｄ ｎ ｎ ｃ ｉ ｉ ｉ ｈ