一种真空抗磁悬浮力探测器及其应用方法技术

本发明专利技术公开了一种真空抗磁悬浮力探测器及其应用方法。真空抗磁悬浮力探测器包括：磁悬浮势阱、悬浮机械摆、真空腔、探测光路及外围电路；所述悬浮机械摆上端为抗磁材料，位于磁势阱中，为悬浮机械摆提供悬浮力，下端通过小杆与上端相连，小杆穿过磁悬浮势阱通孔，下端露出磁悬浮势阱；真空腔包括温控系统、多级隔振系统，以及信号发生与处理模块、探测模块；温控系统使得真空腔保持恒温，多级隔振系统用于隔绝外界振动干扰，信号发生与处理模块用于调制解调力信号，探测模块用于探测所述悬浮机械摆的运动。本发明专利技术对一些短程力的探测具有重要应用价值，亦可对原子力显微镜进行改进，悬浮机械振子比AFM采用的悬臂梁结构具有更高的灵敏度。敏度。敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种真空抗磁悬浮力探测器及其应用方法


[0001]本专利技术涉及超高精度力探测领域，涉及一种真空抗磁悬浮力探测器及其应用方法。

技术介绍

[0002]机械振子已经被证实是一种有效的高灵敏度的力探测器，常见的机械振子包括原子力显微镜中常用到的悬臂梁、测万有引力用到的扭秤、测地球自转用到的傅科摆等等，它们都是利用机械振子放大待测信号，从而可以测得很微弱的信号。通过测量机械振子的运动可用来感知机械振子的受力。然而由于环境与机械振子接触，机械振子的运动不可避免地包含了环境的干扰，这限制了力探测精度。为了减少环境因素的干扰，真空悬浮机械振子应运而生，这样就最大限度地减少了环境与机械振子的接触，提高了机械振子的力探测灵敏度。常见的悬浮机制包括：光悬浮、保罗势阱悬浮、抗磁悬浮、超导磁悬浮、磁光混合悬浮等。悬浮的物体包括：磁体、金属、NV色心、石墨烯、二氧化硅等，这些物体被悬浮于势阱中，受束缚力作用具备一定的振动模式，因此称之为悬浮机械振子。悬浮机械振子作为力探测器具备很高的力探测灵敏度，可以进行一些极弱力的探测。
[0003]光悬浮机械振子俗称光镊，其原理是通过将激光聚焦后，由于光子的动量效应产生的势阱，具有极高的力灵敏度，但由于光镊需要外部能量输入，会给悬浮粒子带来加热和额外的光噪声，并且悬浮粒子大小限制在微米量级以下，不适用于大粒子的悬浮。保罗势阱悬浮则同样需要外部交变电流的能量输入。超导悬浮的应用被受限于其极低的工作环境。磁悬浮机械振子由于是被动稳定悬浮，同样具备极高的力灵敏度，并且可以悬浮毫米级别的大粒子，不受粒子大小的限制，不受低温的限制，很大程度上避免了上述悬浮系统的缺点，具有极大的应用前景。
[0004]目前面临的问题：在短程力探测过程中，需要考虑到被探测对象与探测器之间除了待测力以外，还有一些表面力，比如静电力和卡西米尔力，它们会干扰力探测，因为这些干扰力都具备电磁性质，为了消除它们的干扰，通常的做法是在被探测对象与探测器之间加一层屏蔽膜屏蔽掉这些表面力，与此同时信号力不会被屏蔽。通常情况下，用于高精度探测器的悬浮系统势阱范围都很小从而影响屏蔽膜的加入。对于磁悬浮系统而言，通常悬浮力探测器都是一个抗磁机械振子悬浮于磁势阱内，屏蔽膜的加入势必会影响势阱处的场分布，从而影响悬浮性能。另一方面，磁悬浮机械振子束缚于势阱中，不便于靠近待测对象。这极大地限制了磁悬浮机械振子作为力探测器的实际应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种真空抗磁悬浮力探测器及其应用方法，以解决悬浮机械振子作为力探测器，受限于悬浮势阱，难以与被探测对象靠近，并且难以在探测器与被探测对象之间加屏蔽膜隔绝表面干扰力的问题。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术把探测器结构设计成了悬浮摆状结构，使探测小球从
束缚势阱中延伸出来，悬浮小球与探测小球用杆相连，这样既维持了探测小球的悬浮振子特性，又便于在探测小球与被探测物体之间添加足够大面积的屏蔽盾而不影响磁势阱。
[0007]本专利技术采用的技术方案是：一种真空抗磁悬浮力探测器，包括：磁悬浮势阱、悬浮机械摆、真空腔、探测光路及外围电路；所述悬浮机械摆上端为抗磁材料，位于磁势阱中，为悬浮机械摆提供悬浮力，下端通过小杆与上端相连，小杆穿过磁悬浮势阱通孔，下端露出磁悬浮势阱；真空腔包括温控系统、多级隔振系统，以及信号发生与处理模块、探测模块；温控系统使得真空腔保持恒温，多级隔振系统用于隔绝外界振动干扰，信号发生与处理模块用于调制解调力信号，探测模块用于探测所述悬浮机械摆的运动。
[0008]所述磁悬浮势阱，其制备步骤是：步骤一：设计永磁铁构型，使所述的悬浮机械摆在三维空间稳定悬浮，并且预留小孔供悬浮机械摆穿过；步骤二：按照设计的永磁铁构型对永磁铁组件进行加工与充磁；步骤三：将加工与充磁好的永磁铁组件放入无磁性膜具中进行组装，并在模具中按照步骤一所述的设计调节好各个永磁铁组件之间的相对位置；步骤四：用环氧树脂将永磁铁组件粘牢封装。
[0009]所述的步骤一，利用COMSOL或者ANSYS仿真软件模拟设计永磁铁构型。
[0010]所述的悬浮机械摆，包括：悬浮端、探头端，和中间的连接杆。
[0011]所述悬浮端，位于所述的磁势阱内，悬浮端具备抗磁性，平衡时，悬浮端在磁势阱中所受到的磁力等于整个悬浮机械摆的重力。
[0012]所述悬浮端，材料采用以下之一，包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、金刚石、二氧化硅、热解石墨、铋；形状采用球体、块体或者圆柱体形状。
[0013]所述探头端，位于磁势阱外，作为电场、磁场或者引力场的探针，探头端的形状采用以下形状之一：球体、圆柱体、锥体；探头端的材料根据待测物理量来确定,探测电场用带电金属，探测磁场用磁性材料，探测与质量相关的引力场用高密度材料。
[0014]所述悬浮端、探测端与杆组装或者一体化加工而成：在制备好悬浮端、探测端与杆后，在显微镜的辅助下，通过紫外胶将三者粘连在一起；或者通过微纳加工、微缩3D打印技术进行一体化加工；或者利用光纤熔融技术一体化加工，方案如下：第一步：准备一根长度适中大小适中的光纤纤芯；第二步：采用光纤熔接机在光纤两端各熔融出一个小球，熔融出的两个小球分别作为探头端和悬浮端，中间段的光纤纤芯则作为连接杆；第三步：采用蒸镀工艺，在表面蒸镀一层亚微米厚度的金属薄膜，用于防静电。
[0015]所述探测光路及外围电路中：探测光路部分包括：激光器、光纤、透镜、紫外灯；外围电路部分包括：探测模块中的四象限光电探测器，以及信号发生与处理模块
中的信号发生器、锁相放大器、信号处理模块；紫外灯照射在悬浮机械摆上，用于祛除悬浮机械摆所带的静电；激光器发射出来的激光通过光纤准直、透镜汇聚后打在悬浮机械摆上，悬浮机械摆的散射光通过透镜收集后汇聚于四象限光电探测器上，以此探测悬浮机械摆的运动；信号发生器、锁相放大器和信号处理模块用于外加信号的调制解调。
[0016]一种所述的真空抗磁悬浮力探测器的应用方法，步骤如下：步骤一：准备待测力信号发生模块，置于真空腔中，待测力用F表示；步骤二：准备所述抗磁悬浮力探测器，置于真空腔中；步骤三：使力发生模块产生的力信号作用于抗磁悬浮力探测器上，操作方式是，将力信号发生模块置于抗磁悬浮力探测器的金属屏蔽膜之下，通过特定的方式将力信号施加到力探测器的探测端；步骤四：搭建探测光路，探测悬浮摆的运动位移ΔX,通过传递函数便能反推得到待测力大小：F=ΔX/χ，上式中χ代表悬浮机械摆的力到位移的传递函数；所述步骤四具体实施步骤是：1）准备一个激光源，将激光源发出激光分为两束，一束作为参考光，另一束打在悬浮摆力探测器上；2） 用四象限光电探测器探测经过悬浮摆散射后的激光；3）对参考光功率与四象限光电探测器探测到的功率进行对照处理，获得悬浮物体的运动：ΔX= ζΔV；其中V为四象限光电探测器探测到的相对于参考光探测器的电压，上式中，相对电压的变化为ΔV，悬浮摆的位移为ΔX，ζ为伏米系数，其数值通过热噪声标定、电场标定、磁场标定或者万本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种真空抗磁悬浮力探测器，其特征在于，包括：磁悬浮势阱、悬浮机械摆、真空腔、探测光路及外围电路；所述悬浮机械摆上端为抗磁材料，位于磁势阱中，为悬浮机械摆提供悬浮力，下端通过小杆与上端相连，小杆穿过磁悬浮势阱通孔，下端露出磁悬浮势阱；真空腔包括温控系统、多级隔振系统，以及信号发生与处理模块、探测模块；温控系统使得真空腔保持恒温，多级隔振系统用于隔绝外界振动干扰，信号发生与处理模块用于调制解调力信号，探测模块用于探测所述悬浮机械摆的运动。2.根据权利要求1所述的真空抗磁悬浮力探测器，其特征在于，所述磁悬浮势阱，其制备步骤是：步骤一：设计永磁铁构型，使所述的悬浮机械摆在三维空间稳定悬浮，并且预留小孔供悬浮机械摆穿过；步骤二：按照设计的永磁铁构型对永磁铁组件进行加工与充磁；步骤三：将加工与充磁好的永磁铁组件放入无磁性膜具中进行组装，并在模具中按照步骤一所述的设计调节好各个永磁铁组件之间的相对位置；步骤四：用环氧树脂将永磁铁组件粘牢封装。3.根据权利要求2所述的真空抗磁悬浮力探测器，其特征在于，所述的步骤一，利用COMSOL或者ANSYS仿真软件模拟设计永磁铁构型。4.根据权利要求1所述的真空抗磁悬浮力探测器，其特征在于，所述的悬浮机械摆，包括：悬浮端、探头端，和中间的连接杆。5.根据权利要求4所述的真空抗磁悬浮力探测器，其特征在于，所述悬浮端，位于所述的磁势阱内，悬浮端具备抗磁性，平衡时，悬浮端在磁势阱中所受到的磁力等于整个悬浮机械摆的重力。6.根据权利要求5所述的真空抗磁悬浮力探测器，其特征在于，所述悬浮端，材料采用以下之一，包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、金刚石、二氧化硅、热解石墨、铋；形状采用球体、块体或者圆柱体形状。7.根据权利要求4所述的真空抗磁悬浮力探测器，其特征在于，所述探头端，位于磁势阱外，作为电场、磁场或者引力场的探针，探头端的形状采用以下形状之一：球体、圆柱体、锥体；探头端的材料根据待测物理量来确定,探测电场用带电金属，探测磁场用磁性材料，探测与质量相关的引力场用高密度材料。8.根据权利要求4所述的真空抗磁悬浮力探测器，其特征在于，所述悬浮端、探测端与杆组装或者一体化加工而成：在制备好悬浮端、探测端与杆后，...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊芳，吴通，郭磊磊，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：