一種基于微懸臂梁的電流天平的光子力測量MEMS裝置

據麥姆斯咨詢報道，近日，波蘭弗羅茨瓦夫理工大學（Wroc?aw University of Science and Technology）和波蘭烏卡西耶威切研究網絡（?ukasiewicz Research Network）的研究人員組成的團隊在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）測量MEMS（pfMEMS）裝置。本文提出的測量方法提供了對光子力相互作用的定量而非定性評估。在靜態(tài)測量中，研究團隊測量了高達67.5pN范圍內的光子力相互作用，分辨率為30fN。

圖1 測量光子力的實驗裝置：（a）具有電信號和光信號的實驗裝置示意圖；（b）實驗裝置的光學部分

納米計量學被定義為對納米尺度現象的定量描述，需要尋求特定的計量校準標準。為此，研究人員正在利用一系列的撓度驅動和撓度檢測技術來構建精確的微機電系統(tǒng)（MEMS）。隨著納米計量器件的使用，人們有可能測量低至飛米（fm）的距離和低至飛牛頓（fN）的力——在這個數量級上光子力是可測量的。

19世紀，Maxwell和Bartoli在電磁波的理論描述中預言了光束在表面誘發(fā)的力。直到1901年Nichols輻射計的發(fā)明，光子力才在實驗中得到證實。自此，一個多世紀以來，人們提出了不同的光子力測量方法，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象的應用。其中，最知名的技術是在光鑷中操縱微粒，光子誘發(fā)的力也被認為是空間解決方案中的潛在推動力。

當今的技術使得產生功率從pW到PW（101?W）的光束成為可能。光機械現象是高分辨率和可溯源計量學的研究對象。人們對于高能量和低能量最感興趣，因為在這兩種情況下，光子流可以用于驅動機械系統(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結構施加力。光子力可以利用特性良好的輻射源進行精確地電子控制，甚至在反作用設置中的效果更好。在這種情況下，光子力致動器件可應用于各種環(huán)境。然而，在計量解決方案中，必須對力進行校準。因此，需要設計具有高分辨率和可重復性測量光子力相互作用的計量裝置。

從歷史的角度來看，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器的靈敏度。這就形成了一種計量裝置，并有可能用電量表示力。在這種設置中，人們甚至可以檢測到非常細微的力，因為靈敏度是由天平的機械特性和位移傳感器的靈敏度決定的。

MEMS是測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量。使用微懸臂梁作為力-撓度換能器和撓度的有源補償方法已經被報道。然而，具有直接力補償的MEMS設置的光子力測量方法還未見報道。

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

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”是體積導電的。此外，它集成了一個微鏡，所分析的光子束聚焦在該微鏡上。微懸臂梁撓度的檢測是利用作為零點指示器的光束檢測器（OBD）完成的。微懸臂梁浸沒在磁場中，因此，當通過U形“腿”的電流被控制時，就有可能補償光子力相互作用。有源微懸臂梁被用作力探測器，光子力測量是在具有電磁力補償的閉環(huán)設置中進行的。

與研究團隊之前的研究工作相反，本文提出的測量方法提供了對光子力相互作用的定量而非定性評估。最終的電流天平設置適用于幾十微瓦（μW）到幾瓦（W）的光源。文中給出了所進行的實驗的結果，在靜態(tài)測量中，他們測量了高達67.5pN范圍內的光子力相互作用，分辨率為30fN。

圖2 用于光子力研究的熱增強pfMEMS微懸臂梁的掃描電鏡圖

審核編輯：劉清