CN104698224A - 高灵敏微悬臂梁探针 - Google Patents
高灵敏微悬臂梁探针 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104698224A CN104698224A CN201310658702.4A CN201310658702A CN104698224A CN 104698224 A CN104698224 A CN 104698224A CN 201310658702 A CN201310658702 A CN 201310658702A CN 104698224 A CN104698224 A CN 104698224A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cantilever
- micro
- propose
- sensitivity
- monocrystalline silicon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种新型高灵敏微悬臂梁探针，其特征在于：用以检测样品电子自旋、核自旋的磁共振力显微镜(MRFM)需要能够检测到AN(10-18N)甚至更小力的高灵敏微悬臂梁，更长、更薄、更窄的高品质因数(Q值)微悬臂梁在极低温下，能够测量极小的力。
Description
技术领域
本发明属于一种微机电系统中常用的微传感器，被广泛应用于力检测、质量检测、加速度检测、气压检测、化学生物检测等领域，是结合机械、电子、控制技术为一体的机电一体化设备。
背景技术
微悬臂梁作为常用MEMS传感器，应用范围极其广阔，如力检测、质量检测、应力检测等。其中，力探测微悬臂梁在各类力显微镜中被广泛应用。特别地，MRFM需要依赖高灵敏力探测微悬臂梁进行电子自旋、核自旋探测。以探测单电子自旋为例，需要微悬臂梁能够探测到AN量级的微小力，这比AFM中原子力低6个数量级。为探测到极小力，高灵敏微悬臂梁的设计、制作及特性都有很大的研究空间。低刚度(更长、更窄、更薄)高Q值的悬臂梁是探测极小力的理想传感器，然而低刚度会造成表面应力增大进而抑制Q值，需要综合考虑结构设计。端头质量可以抑制悬臂梁高阶振动，使各阶谐振频率分散，以降低高阶噪声，然而质量加载对微悬臂梁的其他特性影响尚不清楚。目前，高灵敏单晶硅微悬臂梁的制作方法主要基于SOI圆片，但成品率不高。高灵敏单晶硅微悬臂梁与常见悬臂梁相比，尺度更长更窄更薄。该尺度范围内的微悬臂梁特性研究还有待完善。结构设计研究是为了优化性能，性能研究是为了结构设计提供依据。
发明内容
1) 为满足极小力测量，对高灵敏微悬臂梁进行结构设计。基于Q值理论热机械噪声理论，兼顾加工难易程度，设计矩形微悬臂梁的长宽厚尺寸。对于用光纤干涉仪获取信号方式，需要考虑微悬臂梁厚度对反射信号强度的影响。用于MRFM中探测自旋粒子，需要优化设计磁针尖以获得更大的探测力。此外，结合端头质量对微悬臂梁的性能影响研究，研究携带端头质量的微悬臂梁提供结构设计依据，填补研究空缺。
2) 分析现有基于SOI单晶硅微悬臂梁加工方法利弊，研究影响微悬臂梁产率的因素。SOI埋氧层SiO2薄膜存在300-500MPa内应力，当体硅刻蚀完毕时薄膜处于悬空状态。悬空状态下的薄膜在内应力挤压下容易导致破裂，进而影响微悬臂梁的成品率。因此，需要调整加工工艺，添加释放薄膜内应的步骤。此外，工艺过程中的刻蚀、清洗需要在不同溶液中完成。如何保证在溶液转换过程中避免被破坏，是提高微悬臂梁产率的重要手段。
3) 微悬臂梁特性主要包括刚度、频率、Q值。该尺度范围内微悬臂梁，刚
度比常用悬臂梁低3个数量级，有望大幅度提高薄膜应力测试灵敏度。端头质量对微悬臂梁的频率分布、空气中Q值、真空中Q值的影响都有待研究。端头质量加载方式不同，也有可能导致影响规律的不同。高灵敏力探测微悬臂梁的高Q值牺牲了动态测量范围及系统响应速度，如何在保证力探测分辨率不变的情况下，提升动态量程及响应速度值得研究。
附图说明
图1是悬臂梁各阶振动频率变化规律；
图2是悬臂梁式FP腔构造。
具体实施方式
通过调节厚度，使得悬臂梁前后端两束相干光干涉最强，以得到最强反射信号。悬臂梁优化厚度为四分之一波长的基数倍。相同特征尺寸的磁针尖，圆锥体产生的近场磁场梯度大于圆柱体和球体；相同形状磁针尖，体积越小近场磁场梯度越大，但衰减较快。MRFM系统中的测试结果表明微悬臂梁随着温度降低，力探测分辨率越高。端头质量会抑制微悬臂梁在真空中的Q值，这表明周期内表面能量损耗与振动周期时间有关。
光学控制可以抑制微悬臂梁噪声，起到冷却效果，使得在77K环境温度中的有效噪声温度降至10K。光学控制可以在不影响力检测分辨率的情况下，提升系统动态测量范围与响应速度。
Claims (3)
1.一种新型高灵敏微悬臂梁探针，基于SOI圆片制作单晶硅微悬臂梁，提出对埋氧层图形化，提出加载端头质量提升微悬臂梁在空气中的Q值，对应用于MRFM系统微悬臂梁进行结构优化设计。
2.根据权利要求1所述基于新型高灵敏微悬臂梁探针，其特征在于，基于SOI圆片制作单晶硅微悬臂梁，提出对埋氧层图形化，避免内应力导致埋氧层破裂进而损坏微悬臂梁，同时提出一种溶液置换方案，最终提升单晶硅微悬臂梁产率至100%。
3.根据权利要求1所述新型高灵敏微悬臂梁探针，其特征在于，提出加载端头质量提升微悬臂梁在空气中的Q值，为悬臂梁结构设计注入新思想，跳出传统三角梁、矩形梁等厚度均匀悬臂梁的范畴，提出点质量加载与块体质量加载的区别，为悬臂梁结构设计提供进一步依据。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310658702.4A CN104698224A (zh) | 2013-12-09 | 2013-12-09 | 高灵敏微悬臂梁探针 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310658702.4A CN104698224A (zh) | 2013-12-09 | 2013-12-09 | 高灵敏微悬臂梁探针 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104698224A true CN104698224A (zh) | 2015-06-10 |
Family
ID=53345559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310658702.4A Pending CN104698224A (zh) | 2013-12-09 | 2013-12-09 | 高灵敏微悬臂梁探针 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104698224A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110954714A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-04-03 | 江苏集萃微纳自动化系统与装备技术研究所有限公司 | 一种原子力显微镜的探针的刚度实时调节方法 |
-
2013
- 2013-12-09 CN CN201310658702.4A patent/CN104698224A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110954714A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-04-03 | 江苏集萃微纳自动化系统与装备技术研究所有限公司 | 一种原子力显微镜的探针的刚度实时调节方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100552453C (zh) | 对称直梁结构电容式微加速度传感器及其制作方法 | |
| Kuells et al. | Novel piezoresistive high-g accelerometer geometry with very high sensitivity-bandwidth product | |
| Wu et al. | MOEMS accelerometer based on microfiber knot resonator | |
| Dong et al. | High-performance monolithic triaxial piezoresistive shock accelerometers | |
| JP2014512518A (ja) | 慣性センサの組立方法 | |
| CN101782594B (zh) | 基于光子晶体微腔的悬臂梁式加速度计 | |
| CN112034203B (zh) | 一种高精度隧道式加速度计及其制备方法 | |
| Huang et al. | Design, fabrication, characterization, and application of an ultra-high temperature 6H-SiC sapphire fiber optic vibration sensor | |
| CN201382956Y (zh) | 集成光波导加速度计 | |
| CN104698224A (zh) | 高灵敏微悬臂梁探针 | |
| CN105628277B (zh) | 一种基于角度变化的mems微梁应力梯度的测试结构和测量方法 | |
| CN115183930B (zh) | 一种三维微摩擦力和粘附力的测量装置及其测量方法 | |
| CN107084224B (zh) | 基于磁致伸缩与直槽结构石英摆线复合机理的隔微振装置 | |
| CN114252815B (zh) | 磁性悬臂梁传感器及其制作方法和测量装置、成像系统 | |
| Sheehy et al. | The Failure Mechanisms of Micro‐Scale Cantilevers Under Shock and Vibration Stimuli | |
| CN109116271B (zh) | 一种新型频率检测谐振式磁强计 | |
| CN102507054A (zh) | 基于y型腔正交偏振激光器的力和质量测量方法及装置 | |
| Borenstein et al. | Characterization of membrane curvature in micromachined silicon accelerometers and gyroscopes using optical interferometry | |
| CN107165979B (zh) | 基于超磁致伸缩与石英摆线复合机理的隔微振装置 | |
| Zhai et al. | Noncontact Subnanometer Resolution Displacement Sensing with Wide Bandwidth Based on Squeeze Film Damping Effect | |
| CN107023605B (zh) | 基于磁致伸缩与螺旋结构石英摆线复合机理的隔微振装置 | |
| Wang et al. | Micro-machined resonant accelerometer with high sensitivity | |
| Yang et al. | Multiplexable intrinsic Fabry-Pérot interferometers inscribed by femtosecond laser for vibration measurement in high temperature environments | |
| CN109788403A (zh) | 检测膜体、传感器及电子设备 | |
| Liang et al. | Design and analysis of a micromechanical three-component force sensor for characterizing and quantifying surface roughness |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150610 |