一種基于微懸臂梁的電流天平的光子力測(cè)量MEMS裝置

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，波蘭弗羅茨瓦夫理工大學(xué)（Wroc?aw University of Science and Technology）和波蘭烏卡西耶威切研究網(wǎng)絡(luò)（?ukasiewicz Research Network）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Microcantilever-based current balance for precise measurement of the photon force”的論文，首次提出了一種基于微懸臂梁的電流天平的光子力（PF）測(cè)量MEMS（pfMEMS）裝置。本文提出的測(cè)量方法提供了對(duì)光子力相互作用的定量而非定性評(píng)估。在靜態(tài)測(cè)量中，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了高達(dá)67.5pN范圍內(nèi)的光子力相互作用，分辨率為30fN。

圖1 測(cè)量光子力的實(shí)驗(yàn)裝置：（a）具有電信號(hào)和光信號(hào)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（b）實(shí)驗(yàn)裝置的光學(xué)部分

納米計(jì)量學(xué)被定義為對(duì)納米尺度現(xiàn)象的定量描述，需要尋求特定的計(jì)量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。為此，研究人員正在利用一系列的撓度驅(qū)動(dòng)和撓度檢測(cè)技術(shù)來(lái)構(gòu)建精確的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）。隨著納米計(jì)量器件的使用，人們有可能測(cè)量低至飛米（fm）的距離和低至飛牛頓（fN）的力——在這個(gè)數(shù)量級(jí)上光子力是可測(cè)量的。

19世紀(jì)，Maxwell和Bartoli在電磁波的理論描述中預(yù)言了光束在表面誘發(fā)的力。直到1901年Nichols輻射計(jì)的發(fā)明，光子力才在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。自此，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人們提出了不同的光子力測(cè)量方法，包括扭力天平、靜電和壓電方法等。

人們開發(fā)了許多基于光子力現(xiàn)象的應(yīng)用。其中，最知名的技術(shù)是在光鑷中操縱微粒，光子誘發(fā)的力也被認(rèn)為是空間解決方案中的潛在推動(dòng)力。

當(dāng)今的技術(shù)使得產(chǎn)生功率從pW到PW（101?W）的光束成為可能。光機(jī)械現(xiàn)象是高分辨率和可溯源計(jì)量學(xué)的研究對(duì)象。人們對(duì)于高能量和低能量最感興趣，因?yàn)樵谶@兩種情況下，光子流可以用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)和器件的位移。

在納米尺度上，光子力相互作用能夠以極高的分辨率對(duì)結(jié)構(gòu)施加力。光子力可以利用特性良好的輻射源進(jìn)行精確地電子控制，甚至在反作用設(shè)置中的效果更好。在這種情況下，光子力致動(dòng)器件可應(yīng)用于各種環(huán)境。然而，在計(jì)量解決方案中，必須對(duì)力進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，需要設(shè)計(jì)具有高分辨率和可重復(fù)性測(cè)量光子力相互作用的計(jì)量裝置。

從歷史的角度來(lái)看，電流天平被用于確定物體的重力和電磁鐵的電磁力之間的平衡狀態(tài)。在電流天平中，顧名思義，重力是由電流和電壓的電量表示的。電流天平的靈敏度受限于位移檢測(cè)器的靈敏度。這就形成了一種計(jì)量裝置，并有可能用電量表示力。在這種設(shè)置中，人們甚至可以檢測(cè)到非常細(xì)微的力，因?yàn)殪`敏度是由天平的機(jī)械特性和位移傳感器的靈敏度決定的。

MEMS是測(cè)量微小力的常用工具，因此它們也被用于光子力相互作用的測(cè)量。使用微懸臂梁作為力-撓度換能器和撓度的有源補(bǔ)償方法已經(jīng)被報(bào)道。然而，具有直接力補(bǔ)償?shù)腗EMS設(shè)置的光子力測(cè)量方法還未見報(bào)道。

利用宏觀耦合反射鏡設(shè)置，人們提出了測(cè)量光子力的電流天平方法。這些設(shè)置中的分辨率受到設(shè)置尺寸的限制，并且不超過(guò)20nN的下限。因此，力補(bǔ)償器件的微型化可能會(huì)改善可檢測(cè)力的范圍。

在本文中，作者們首次提出了一種基于微懸臂梁的電流天平的光子力計(jì)量MEMS（pfMEMS）裝置。該系統(tǒng)的核心是一根硅微懸臂梁，其U形“腿”是體積導(dǎo)電的。此外，它集成了一個(gè)微鏡，所分析的光子束聚焦在該微鏡上。微懸臂梁撓度的檢測(cè)是利用作為零點(diǎn)指示器的光束檢測(cè)器（OBD）完成的。微懸臂梁浸沒(méi)在磁場(chǎng)中，因此，當(dāng)通過(guò)U形“腿”的電流被控制時(shí)，就有可能補(bǔ)償光子力相互作用。有源微懸臂梁被用作力探測(cè)器，光子力測(cè)量是在具有電磁力補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)設(shè)置中進(jìn)行的。

與研究團(tuán)隊(duì)之前的研究工作相反，本文提出的測(cè)量方法提供了對(duì)光子力相互作用的定量而非定性評(píng)估。最終的電流天平設(shè)置適用于幾十微瓦（μW）到幾瓦（W）的光源。文中給出了所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在靜態(tài)測(cè)量中，他們測(cè)量了高達(dá)67.5pN范圍內(nèi)的光子力相互作用，分辨率為30fN。

圖2 用于光子力研究的熱增強(qiáng)pfMEMS微懸臂梁的掃描電鏡圖

審核編輯：劉清