[0001] 本发明属于超灵敏力测量研究领域，尤其涉及一种基于超低弹性系数悬臂梁的力测量装置。

[0002] 灵敏力探测已经成为研究物理现象的重要手段，在例如卡西米尔力的测量、磁共振力显微镜以及磁性材料的磁扭矩测量等方面有着重要的应用。

[0003] 以磁扭矩测量为例，它一直是研究材料磁各向异性的重要手段。为测量磁扭矩已知一种测量装置，使用低弹性系数的悬臂梁，将磁性材料样品固定于悬臂梁的自由端，施加外部磁场使样品受到扭矩，悬臂梁因扭矩作用偏离平衡位置，通过测量悬臂梁自由端的位移来测量材料磁性。这里，若利用激光干涉测距法测量超低弹性系数(约为1mN/m左右)的悬臂梁的位移，可使磁扭矩测量磁性材料的灵敏度达到10-14emu。应用该方法可以测量纳米尺度样品的磁性质，比如纳米颗粒、纳米线、纳米片等。

[0004] 在基于悬臂梁的力测量装置中，利用微纳米悬臂梁具有超低弹性系数来进行灵敏的力测量。为了提高力测量的灵敏度，悬臂梁的弹性系数应尽量低，而且测量悬臂梁位移的方法也应极其灵敏，一般选用上述激光干涉测距法来测量悬臂梁自由端的位移和振动。超低弹性系数的悬臂梁的尺寸非常小，设置在悬臂梁的自由端的供激光干涉测距使用的光反射面虽具有比悬臂梁主体大的尺寸，但面积一般也在40μm×40μm以内，而激光对焦的焦点必须准确地聚焦于光反射面上(下文有时也称对焦在悬臂梁上)，才能进行悬臂梁位移和振动的测量并获得相当理想的测量灵敏度。这意味着，在这种基于悬臂梁的力测量装置中，对于激光在悬臂梁上的对准和对焦有着相当高的精度要求。

[0005] 目前已报道的灵敏力测量装置通常采用压电马达驱动的纳米位移台来进行激光在悬臂梁上的对准和对焦。例如图1表示了一种目前典型的力测量装置，其中(A)是装置的照片，(B)是工程示意图，(A)、(B)各图的右侧表示的是左侧图中的悬臂梁附近部分的放大图(观察方向稍有调整)。如图所示，悬臂梁夹持部件和纳米位移台均安置在一个钛质框架上，出射激光的光纤的镜筒固定在位于纳米位移台上的适配件上，三个纳米位移台分别控制光纤镜筒在xyz方向的移动。激光通过安装在镜筒上的微透镜聚焦，焦点对准在位于微透镜正前方的悬臂梁的光反射面上。在进行力测量时需要对悬臂梁进行共振驱动或者扫频测量，所以悬臂梁需要相应的驱动装置，目前一般采用的是压电陶瓷机械驱动悬臂梁振动的方式。因此，悬臂梁被夹持部件夹持在该驱动装置上，而驱动装置固定在钛框架上。

[0033] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

[0034] 以下实施方式中，在提及要素的数字等(包括个数、数值、量、范围等)的情况下，除了特别明确说明的情况和从原理上明显限定为特定数字的情况之外，并不限定于该特定数字，可为特定数字以上或以下。

[0035] 另外，在以下的实施方式中，其结构要素(包括步骤要素等)除了特别明确说明的情况和从原理上明显理解为是必须的情况之外，都不一定是必须的，并且也可以包括说明书中未明确提及的要素，这无需明言。

[0036] 同样地，在以下的实施方式中，在提及结构要素等的材料、形状、位置关系等时，除了特别明确说明的情况和从原理上明显地理解为并不可行的情况之外，包括实质上与其形状等近似或类似的要素。这对于上述数值和范围也同样。

[0037] 此外，附图中表示的均为示例，其中的各部件的相对大小关系、各部件的组成部分的比例关系不受图中示例限定。部分图中标注了以铅垂方向为z轴，以垂直于z轴的面上的两个正交的轴为x、y轴的正交坐标系，但这只是为了便于说明而标注的，除了原理上不可能的情况之外，z轴可以处于任意方向，同时x、y轴的方向也将相应变化。

[0038] 下面说明本发明的实施方式的力测量装置。

[0039] (第一实施方式)

[0040] 如图1所述，现有的基于悬臂梁和激光干涉测距法的力测量装置由于采用了纳米位移台，因此装置体积巨大、操作流程繁琐，并且无法连续完成大范围变温(4K-300K)测量。

[0041] 对此，本发明的力测量装置不使用纳米位移台而是采用了对称的、紧凑简单的结构。图2表示沿y方向观察本发明第一实施方式的力测量装置101的示意侧视图，这里仅表示了悬臂梁机构附近的涉及本发明改进点的部分，其他如图1所示的钛框架及其以外的部分，例如干涉光探测部分等可采用与现有技术相同的结构，在此不予赘述。

[0042] 如图2所示，本发明第一实施方式的力测量装置101主要包括支承框架102、光学系统103和悬臂梁机构104。支承框架102的主体由例如钛材料制成，但不限定于此，可以选用其他的热膨胀系数较小的材料，例如可以是无磁316L不锈钢、铝和无氧铜等。支承框架102的截面整体具有类“L”字的形状，包括侧支承面115和底支承面116。为便于旋转，本实施方式的支承框架102采用了大于180度的弧形形状，光学系统103沿z方向自圆弧的顶部安装于侧支承面115，悬臂梁机构104安装在圆弧底部的底支承面116。需要说明的是，支承框架102的截面形状并不限于图示形状，也不限于类“L”字的形状，只要能够将光学系统103安装成沿z方向延伸，并将悬臂梁机构104安装在光学系统103的下方与其相对即可。在图2中，z方向表示为图中的上下方向，但如上所述，在本说明书中z方向不限于上下方向，可为任意合适的方向。

[0043] 光学系统103包括镜筒105、光纤106、光纤准直套管107和微透镜108。镜筒105呈沿z方向延伸的筒状结构，优选与支承框架102由相同的例如钛材料构成，光纤准直套管107呈沿z方向延伸的筒状结构，优选由陶瓷制成，其中形成有供光纤106穿过的、对光纤进行定位的准直孔，光纤106与光纤准直套管107之间不实施固定，使得在例如因温变而发生了形变的情况下，光纤106可沿z方向在光纤准直套管107的准直孔中移动。另外，镜筒105和光纤准直套管107的材料不限于上述材料，可采用本领域技术人员熟知的各种材料。

[0044] 光纤准直套管107设置在镜筒105内，通过公知的固定方法固定于镜筒105，本实施方式中采用树脂进行固定(未图示)。微透镜108设置在镜筒105靠z方向下方(下文简称“下方”)的端部，同样通过公知的固定方法固定于镜筒105。光纤106在镜筒105中穿过光纤准直套管107，配置成下端面正好位于微透镜108的2倍焦距处，使得从光纤106的下端面出射的光经微透镜108在另一侧会聚于2倍焦距处。在镜筒105的靠z方向上方(下文简称“上方”)的位置，利用由例如环氧树脂构成的第一固定部120将光纤106固定于镜筒105内。镜筒105相对于支承框架102可调节位置上下移动，利用调节机构(未图示)调节二者在上下方向的相对位置，使从光纤106出射并经微透镜108会聚的焦点落在下方的悬臂梁109的光反射面上。

[0045] 悬臂梁机构104位于镜筒105的z方向正下方，包括悬臂梁109和驱动部件110。驱动部件110由一片压电陶瓷111和两片蓝宝石片112、113构成三明治结构。通过未图示的供电单元对驱动部件110施加电压使其振动，对悬臂梁109进行共振驱动等。悬臂梁109被夹持部件114夹持在驱动部件110表面的蓝宝石片112上。如上所述，从光纤106的下端面经微透镜108出射的激光(信号光)聚焦在悬臂梁109的自由端，激光在自由端的光反射面(未图示)上反射后返回光纤106，之后与参考光干涉形成干涉光，对干涉光进行探测来检测悬臂梁109自由端的位移。这里，夹持部件114例如可以是铍铜弹性压片，利用螺栓紧固铍铜弹性压片，来将悬臂梁109的固定端按压在蓝宝石片112上。图3是沿图2的z方向观察本发明第一实施方式的力测量装置101的平面图。在本发明中，光纤的镜筒105与支承框架102被配置成使得光纤106(或其延长线)通过沿z方向俯视(即，投影到x-y平面)时的支承框架102的几何中心。在图3中，支承框架102的x-y平面投影形状为矩形，光纤106在x-y平面上投影为一个点，正好位于矩形形状的正中心。从而，在x-y平面上，激光在悬臂梁109的反射面上聚焦的位置位于整个框架结构的几何正中心。由于形成对称的结构，热胀冷缩引起的变形在x-y平面上也是对称的，因此即使因温变引起各部分的热胀冷缩，热胀冷缩前的几何正中心在热胀冷缩后仍然是中心。并且，结构上的简化也有助于减小形变的误差，所以基于此结构，激光在x和y方向上的对准受大范围变温的影响非常微弱。这一点可以在后述的实施例中得到印证。

[0046] 另外，在本实施方式中，支承框架102的x-y平面投影形状为矩形，但并不限定于此，只要是规则的具有几何中心的形状即可，也可以是其他形状。

[0047] 不过，在z方向上，如图2所示，光纤106的下端面、微透镜108与悬臂梁109的光反射面都存在一定的距离，在发生变温时，材料发生形变，激光在悬臂梁109的光反射面上的焦点会产生z方向的位移，导致对焦变得不再精确，测量灵敏度在变温过程中会发生降低。

[0048] 图4是图2所示的本发明第一实施方式的力测量装置101在变温过程中的测试结果，其中使用的悬臂梁109的光反射面的尺寸为40μm×40μm。图中横轴表示温度，纵轴表示干涉信号强度，曲线表示了干涉信号强度随温度变化而发生的变化。实验条件使用图2所示的第一实施方式的力测量装置101，在室温时将激光对准悬臂梁自由端调节至对焦，使干涉信号最大。从300K开始降温，随着温度降低，干涉信号逐渐减小，至50K左右已无法完成相应测量。

[0049] 不过，如上所述，由于镜筒105相对于支承框架102可通过调节机构调节z方向的相对位置，因此可以利用该调节机构重新进行z方向的对准。

[0050] 从而，第一实施方式的力测量装置101虽无法在大范围变温过程中维持高灵敏度连续进行测量，但由于无需进行x、y方向的重新对准而仅需要进行z方向的重新对准，因此能够无需像图1所示的现有技术那样设置3个方向的位移台而仅设置z方向的调节机构，能够减小装置尺寸和部件数量，减小累加的热胀冷缩，减轻操作负担。

[0051] (第二实施方式)

[0052] 接着说明本发明第二实施方式的力测量装置201。

[0053] 如图2所示，在第一实施方式的力测量装置101中，光学系统103的镜筒105内设置有光纤106、光纤准直管107和微透镜108，发明人发现在这样的结构下，进行变温测试时焦点并不会在x、y方向发生较大偏移，但是z方向引起的焦点的移动会导致测量无法连续维持高灵敏度。

[0054] 针对这一点，发明人细致研究了导致焦点偏移的因素，发现实际存在两方面原因。以降温为例，一方面由材料的热性质直接引起，悬臂梁自由端上的焦点在装置冷却时，由于材料收缩，导致焦点相对于悬臂梁向-z方向移动(升温时相反)。另一方面，变温引起凸透镜物距和像距也会变化，这是因为，光纤的材料是石英玻璃，它的热膨胀系数远小于构成镜筒的钛以及其他金属材料，因此在降温时，光纤下端面相对微透镜的距离变小(升温时相反)，根据凸透镜的成像原理，物距减小像距增大，焦点同样也会向-z方向移动。这两点因素共同作用，降温时导致焦点相对于悬臂梁向-z方向移动，这与图4中的变温测试结果相符合。

[0055] 第二实施方式的力测量装置201针对第一实施方式的力测量装置101进一步做出了重新设计和优化。图5是表示沿y方向观察本发明第二实施方式的力测量装置201的示意侧视图，其中与第一实施方式的力测量装置101相同的部分标注了相同的标记并省略说明。

[0056] 如图5所示，第二实施方式的力测量装置201与第一实施方式的不同之处在于使用了光学系统203代替光学系统103。光学系统203除光学系统103的镜筒105、光纤106、光纤准直套管107和微透镜108之外，还包括光纤固定管201。

[0057] 光纤固定管201在镜筒105中位于光纤准直套管107的与微透镜108相反的一侧，呈沿z方向延伸的筒状供光纤穿过，由热膨胀系数大于镜筒105的材料构成，例如在镜筒105由钛制成的情况下优选由铝制成。光纤106从光纤固定管201中穿过，在光纤固定管201的靠微透镜108一侧的端部，利用例如由环氧树脂构成的第二固定部220将光纤106固定于光纤固定管201。光纤固定管201的远离微透镜108的一端利用例如由环氧树脂构成的第三固定部221与镜筒105固定。这里需要注意的是，第三固定部221并不固定光纤106。

[0058] 于是，第二实施方式与第一实施方式的区别可表述为，二者使用了不同的固定组件来将光纤106固定于镜筒105。在第一实施方式的情况下，光纤106由环氧树脂构成的第一固定部120直接固定于镜筒105，即，可认为第一实施方式中的第一固定部120相当于固定组件；而在第二实施方式中，光纤106经光纤固定管201固定于镜筒105，其中光纤106由环氧树脂构成的第二固定部220固定于光纤固定管201的下端，而光纤固定管201的上端由环氧树脂构成的第三固定部221固定于镜筒105，即，可认为第二实施方式中的第二固定部220、光纤固定管201以及第三固定部221共同构成了固定组件。

[0059] 在第二实施方式中，光纤固定管201的材料(例如铝)的热膨胀系数大于镜筒105的材料(例如钛)，因此通过设计光纤固定管201的长度，在发生变温例如降温时，能够使光纤固定管201的收缩量比镜筒105大，光纤下端面与微透镜108的距离向增大的方向变化，根据凸透镜的成像原理，焦点会向+z方向移动。于是，在上述导致焦点偏移的两个因素之中，第二个因素带来的焦点偏移(后述Δl)的方向变为+z，与第一个因素带来的焦点偏移(后述Δh)的方向-z相反，二者的影响可相互抵消。

[0060] 即，选取光纤固定管201的材料和长度，使得光纤106的下端面与微透镜108之间的距离随温变而发生变化的方向，与微透镜108与悬臂梁109的光反射面之间的距离随温变而发生变化的方向相反，从而，能够将悬臂梁上激光的焦点在变温过程中发生的z方向的偏移控制在不产生影响的范围。具体计算如下。

[0061] 下式(1)表示微透镜108和悬臂梁109的光反射面之间的距离随温变而发生的变化Δh，表示上述第一个因素带来的焦点偏移。

[0062] Δh＝(αTl-T-αpl-p-αsl-s)ΔT        (1)

[0063] 其中，αT、αp、αs分别表示钛、压电陶瓷和蓝宝石片的热膨胀系数，ΔT是温度变化量。l-T、l-p、l-s分别表示钛材料、压电陶瓷和蓝宝石片的对应在微透镜108的-z方向一侧的沿z方向的长度。具体而言，l-T是支承框架102的位于微透镜108下方、且处于底支承面116上方的z方向上的长度，l-p是压电陶瓷111的z方向厚度，l-s是蓝宝石片112、113的z方向厚度之和。

[0064] 下式(2)是微透镜108的成像公式，式中用Δl表示上述第二个因素带来的焦点偏移。

[0065]

[0066] 其中，f是微透镜108的焦距，Δl是激光在微透镜108的悬臂梁109一侧的焦点距离随温变而发生的变化，αT、αA分别表示钛和铝的热膨胀系数。l+T、l+A分别表示钛材料和铝材料的对应在微透镜108的+z方向一侧的沿z方向的长度。具体而言，l+T是镜筒105的位于微透镜108上方的z方向上的长度，可近似为镜筒105的长度，l+A是光纤固定管201的长度。

[0067] 基于上式(1)、(2)可知，Δl+Δh表示焦点相对于悬臂梁109的光反射面在z方向上的偏移，是上述第一因素和第二因素带来的影响的总和。于是，将光纤固定管201的长度l+A取合适的值，变温时焦点的位移Δl可以与Δh相互抵消(即，Δl+Δh≈0)，使得变温过程中焦点始终在最佳焦距附近很窄的范围内变化，从而在大范围变温过程中也不对灵敏度造成影响。

[0068] 图6是对变温时激光的焦点相对于悬臂梁的光反射面发生的偏移进行数值模拟得到的结果。其中选取光纤固定管201的长度l+A的长度为5mm，可以看到焦点的偏移小于30纳米，可认为不会对灵敏度造成影响。

[0069] 图7是图5所示的本发明第二实施方式的力测量装置201在变温过程中的测试结果，其中使用的悬臂梁109的光反射面的尺寸为40μm×40μm。图中横轴表示温度，纵轴表示干涉信号强度，曲线表示了干涉信号强度随温度变化而发生的变化。实验条件使用图5所示的第二实施方式的力测量装置201，在室温时将激光对准悬臂梁自由端调节至对焦，使干涉信号最大。从300K开始降温，随着温度降低，可观察到干涉信号相对最佳信号强度并未有明显减小，变温全程都可以保持很高的灵敏度。

[0070] 采用上述第二实施方式的力测量装置201，通过在镜筒中使用光纤固定管来将光纤经该固定管固定于镜筒，能够使因材料的热性质直接引起的焦点偏移与因透镜的物距、像距变化产生的焦点偏移的方向相反从而相互抵消。于是，除了与第一实施方式同样地能够减小装置尺寸和部件数量，减小累加的热胀冷缩之外，在大范围变温过程中无需进行激光焦点在xyz方向之任一方向的重新对准，能够在保持高灵敏度的同时实现连续的大范围变温测量。

[0071] (实施例1)

[0072] 动态磁扭矩测量是悬臂梁灵敏力探测在材料学方面的重要应用。实施例1使用了第二实施方式的力测量装置201进行动态磁扭矩测量。将磁性材料样品贴附在悬臂梁的自由端，在外加磁场下，样品受到力矩的作用导致悬臂梁的共振频率发生变化。在进行动态磁扭矩测量时获取的是悬臂梁共振频率的信息。

[0073] 其中选用的悬臂梁的示例表示在图8中，该悬臂梁厚度为1μm，光反射面面积约为40μm×40μm，图中作为示意，悬臂梁的前端已经转移上了厚度为100nm，面积约为30μm×10μm的Cd3As2纳米片。

[0074] 实验测量了变温时悬臂梁共振频率的变化，变温范围为300K到4K。实验结果如图9所示，随着温度的降低，悬臂梁的杨氏模量随温度发生了变化，导致悬臂梁弹性系数改变，引起共振频率变化。整个测试在QD公司的商业磁体PPMS中进行，变温测量过程中，从室温300K到4K整个大范围变温过程中都能实时地测量悬臂梁的共振频率，测试未发生间断，验证了第二实施方式的力测量装置201能够在保持高灵敏度的同时实现连续的大范围变温测量。

[0075] (实施例2)

[0076] 实施例2使用Cd3As2纳米片作为测试对象进行动态磁扭矩测量。测试时，温度为2K，扫场从0到14T，磁场从沿Cd3As2纳米片面外施加。图10是扫场测量到的Cd3As2纳米片量子震荡，磁场与纳米片的夹角每隔5度测量一次。从测量结果来看，施加的磁场在大于4T后能观察到明显的SDH震荡，震荡随着磁场强度增大磁信号增强。从测量Cd3As2纳米片的实验结果来看，本发明的力测量装置完全可以进行纳米尺度磁性样品的磁扭矩测量研究。

[0077] 上面对本发明的各实施方式和各实施例进行了简单说明，应当认识到，本发明不限于上述说明，可以有各种变化。例如，在光反射面足够大，焦点的xy方向的偏移不敏感的情况下，第二实施方式中描述的光纤固定管可以脱离第一实施方式而单独实施。

[0078] 工业利用性

[0079] 如上所述，本发明的力测量装置能够应用于灵敏力探测的各种领域，例如西米尔力的测量、磁共振力显微镜以及磁性材料的磁扭矩测量等。