CN107045111B - 一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微纳系统和磁探测领域，一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计，主要包括激光器、显微镜、平面镜、力感应器、微位移平台、亥姆霍兹线圈、透镜、四象限光电探测器、基于光线偏向的测量系统、控制系统、样品台，力感应器包括一个半径为R的微型开口环、微型开口环开口处的一对梁和连接于微型开口环圆弧端的微型反射器，微型开口环和一对梁均为柔性的，调节微位移平台使力感应器移动，将微型开口环置于待测的磁性分子团簇上方一定距离z0处，控制系统对力感应器加电流I，微型开口环与磁性分子团簇之间的磁力使力感应器形变而产生zc的偏差，控制系统运用磁矩计算公式对实验中测得的数据进行处理后，能够得出磁性分子团簇的磁矩。

Description

一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计
技术领域
本发明涉及微纳系统领域和磁探测领域，尤其是一种可以直接测量铁磁性分子团簇的磁矩、甚至可以对单个微尺度铁磁性颗粒、被大量非磁性样品包裹的磁性颗粒以及其他不规则结构等进行磁矩测量的一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计。
背景技术
通常情况下，宏观尺度的磁强计用于估计块状或粉末状材料的磁性，测得的块状材料的磁性，结合上测得的材料颗粒的体积，用于估计材料颗粒的磁矩，但是这种方法容易产生错误，首先，块状材料中单个颗粒的磁化并非与整体的磁化一致，其次，微尺度颗粒的体积不容易精确估算出来，特别是其有不规则几何结构的情况下。
为了克服上述缺陷，科学家们发明了一些适用于单个磁性颗粒的磁强计，包括使用霍尔器件以及使用磁力显微镜等技术，这些磁强计在测量单个颗粒的磁矩时比传统的磁强计有更高的精度，但是也受到不少条件的限制，比如，在使用霍尔器件的情况，必须精确地知道颗粒的几何构型才能最终确定颗粒的磁矩，而且，这个方法不能用于测量被大量非磁性样品包裹的磁性颗粒的磁矩。又比如，在磁力显微镜的情况，其中一种技术是将一个未知磁矩的磁性颗粒附着于一个硅制的微悬臂上，通过测量微悬臂在交流磁场梯度中的振动来估算颗粒的磁矩；在另一种技术中，一个磁性的针尖附着于一个硅制微悬臂上，通过测量此微悬臂在与某个未知磁矩的相互作用过程中的形变来估算未知磁矩。由于附着于悬臂的磁矩通常都非常小，并且在某一个具体实验中这个磁矩的大小是不可变的，从而限制了可测磁矩的范围，并且导致了磁矩的估算是与颗粒和感应器之间距离相关的一个非线性方程，再者，上述颗粒和感应器之间距离并不能精确地估算，所以这个方法容易产生较大误差。
柔性机构(Compliant Mechanism)的概念是在1968年由Buens和Crossley提出的，一般是指通过其部分或全部具有柔性的构件变形而产生位移，传动力的机械结构，相对于传统的刚性结构而言，柔性结构具有以下优点：一是低成本；二是无需铰链或轴承，运动和力的传递是利用组成它的的某些或全部构件的变形来实现；三是无摩擦、磨损，无效行程小，可实现高精度运动，提高寿命；四是可存储弹性能，自身具有回程反力；五是易于小型化和大批量生产；六是易于和其他非机械动力相匹配。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种可直接测量铁磁性分子团簇的磁矩的磁强计，通过一个具有柔性机构的微尺度的力感应器与分子团簇作用并产生偏转，反映出磁力的相互作用，并且能够测量分子团簇的磁矩。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计主要包括激光器、显微镜、平面镜、力感应器、微位移平台、亥姆霍兹线圈、透镜、四象限光电探测器、基于光线偏向的测量系统、控制系统、样品台、磁性分子团簇、微型反射器、一对梁、微型开口环、基于螺线管的源磁场，所述四象限光电探测器、基于光线偏向的测量系统、控制系统、微位移平台依次电缆连接，所述力感应器、亥姆霍兹线圈均与控制系统连接，所述基于光线偏向的测量系统所得的数据输出至所述控制系统，所述力感应器的电流大小、亥姆霍兹线圈的电流大小、微位移平台的移动均由控制系统来控制，所述显微镜位于所述平面镜上方，通过所述显微镜来观察所述力感应器和所述待测磁性分子团簇之间的位置，所述平面镜固定于所述亥姆霍兹线圈上方位置，所述亥姆霍兹线圈和所述样品台均为固定，所述力感应器位于所述样品台上方、且均位于所述亥姆霍兹线圈之间，所述一对梁通过长方形电极与衬底上的覆铜电路焊接、且工作时电流为I，所述磁强计特有的所述磁性分子团簇磁矩的计算公式为R为微型开口环的半径，kc表示力感应器的刚度，μ0为真空磁导率，Fz为磁性分子团簇所经受的在微型开口环轴线方向的磁力，由此可知，磁矩的测量无需确定所述力感应器和所述磁性分子团簇之间的绝对距离，磁矩的测量范围可以通过改变所述力感应器的电流来实现；
所述力感应器包括一个半径为R的微型开口环、所述微型开口环开口处的所述一对梁和连接于所述微型开口环圆弧端的所述微型反射器，调节所述微位移平台使所述力感应器移动，将所述微型开口环置于待测的所述磁性分子团簇上方一定距离z0处，所述控制系统对所述力感应器加电流I，所述微型开口环与所述磁性分子团簇之间的磁力使所述力感应器形变而产生zc的偏差，zc反映出磁力的相互作用力，因此所述控制系统运用上述磁矩计算公式对实验中测得的数据进行处理后，能够得出所述磁性分子团簇的磁矩。
所述磁性分子团簇直径小于40微米；所述微型开口环和所述一对梁均为柔性的；由所述力感应器构型以及相应的测量方法，使得所述力感应器能够探测一些难以达到的、被其他材料包裹的磁性分子团簇，能够用于测量被大量非磁性样品包裹的磁性分子团簇的磁矩，能够直接测量待测样品的磁矩、且不需要知道磁性分子团簇的具体几何构型；所述力感应器由四微米厚度的铝箔经过激光微加工制成且其刚度为0.5N/m，工作时所述力感应器(4)电流为I＝100mA，温度变化上限为30摄氏度，所述力感应器中的所述微型开口环平均半径为70微米；所述微型反射器由硅材料制成，使得能够增强对照射在其表面上的所述激光器发出的激光的反射率，能够更高精度的测量所述zc；所述微型反射器使用微量的环氧树脂与所述微型开口环的圆弧端粘接。
所述亥姆霍兹线圈即一对线圈，用于产生均匀的恒定磁场，使这个磁场的均匀的区域较大，即可以在整个实验区域具有相同的磁场。其定义：如果有一对相同的载流圆线圈彼此平行且共轴，通以同方向电流，当线圈间距等于线圈半径时，两个载流线圈的总磁场在轴的中点附近的较大范围内是均匀的，亥姆霍兹线圈在生产和科研中有较大的实用价值。
本发明原理说明：
在样品为软铁磁材料的情况下，施加均匀外磁场Bz0来控制磁性分子团簇磁矩的大小和方向。
在样品不是刚性固定状态下的永久磁性分子团簇的情况下，外场Bz0使得磁矩方向沿着Z轴，但是并没有明显影响磁矩的大小。
在样品是微尺度结构上固定的永久磁体的情况下，外场Bz0不是必须的。
在外场B中，磁性分子团簇所经受的磁力表达式为：其中，B＝Bz0+Bc，Bc是磁性分子团簇附近的微型环产生的磁场。
因为Bz0是均匀的，磁性分子团簇所经受的在微型环轴线方向的磁力只依赖于Bc，并且沿着Z轴方向，其相互作用力可以表示为其中，z＝z0+zc，因为反应力-Fz使得力感应器变形，有Fz＝kczc，其中，kc表示力感应器的刚度。
当z远小于R时，Fz近似为这里引入一个变量/>可以估算出/>其中，/>在实际实验中是这样得到的：使用力感应器测量Fz(z0)，通过微位移台来改变z0的值，之后计算这个线性关系的斜率。因为实验上得到的kz可以用于测量样品磁矩/>R为微型开口环的半径，kc表示力感应器的刚度，μ0为真空磁导率，Fz为磁性分子团簇所经受的在微型开口环轴线方向的磁力，由上式可以看出，在z远小于R时，估算的磁矩不依赖于z0。
这样，使得能够通过合理的设计微型环的半径R，该技术方法可以用于测量被大量非磁性样品包裹的磁性分子团簇的磁矩，或者是由于以前的实验条件限制无法精确估计z0而难以接近的微型磁体。
因此，本申请技术改进方案的理论基础是，基于上述等式得出，更小的磁矩可以通过增加流过微型环的电流I的方法来测量，这样，这个实验方法就拥有了可变的测量范围。
所述力感应器的设计要点：拥有特殊的刚度kc；因为流过力感应器的电流I导致了感应器产生了电阻加热，尺寸的选择要保证温度的升高在温度上限之下；所述微型开口环尺寸能够容纳下特殊尺寸的磁性分子团簇。
刚度kc分析：对一个弹性模量为E的力感应器，其统一的厚度为t，微型环中心位置的偏移量为loff，整个力感应器的刚度表达式为其中ω(ξ)，(0≤ξ≤loff)表示感应器在其径向即y方向的宽度变化。
温度上限分析：使用傅里叶热传输来估计温度上限值，温度上限值在一个横截面统一的导体中，表示为其中，ρ是电阻率，K是导热系数，l是力感应器周长。
所述力感应器的制备
所述力感应器由四微米厚度的铝箔经过激光微加工制成，由于铝箔在机械加工后有相对较高的粗糙度，加工后的力感应器表面的光反射率不够，所以，在所述力感应器的微型开口环的圆弧端加上了一个硅材料制成的所述微型反射器来增强光反射率，使用微量的环氧树脂将所述微型反射器粘在所述力感应器的微型开口环的圆弧端。
所述力感应器的校准
通过调节所述微位移平台，使得所述力感应器的末端停驻于一个刚性的衬底，然后对所述微位移平台施加一个已知距离的移动，以此来校准所述力感应器的灵敏度，由测试结果知，所述力感应器的灵敏度达到了比原来增强了20倍的技术效果。
本发明的有益效果是：
由所述力感应器等构型能够计算出所述磁强计特有的磁矩的计算公式为R为微型开口环的半径，kc表示力感应器的刚度，μ0为真空磁导率，Fz为磁性分子团簇所经受的在微型开口环轴线方向的磁力，而其他磁强计不具备该优点，磁矩的测量与所述力感应器和所述磁性分子团簇之间的距离无关，磁矩的测量范围可以通过改变所述力感应器的电流来改变，所述力感应器能够探测一些难以达到的、被其他材料包裹的磁性分子团簇，通过合理的设计微型环的半径R，可以找到合适的技术与所述力感应器相结合，能够用于测量被大量非磁性样品包裹的磁性分子团簇的磁矩，或者是由于以前的实验条件限制无法精确估计z0而难以接近的微型磁体，因此本发明可以直接测量待测样品的磁矩，并且不需要知道磁性分子团簇的具体几何构型。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图；
图2是力感应器平面示意图；
图3是力感应器产生偏差zc示意图。
图中，1.激光器，2.显微镜，3.平面镜，4.力感应器，5.微位移平台，6.亥姆霍兹线圈，7.透镜，8.四象限光电探测器，9.基于光线偏向的测量系统，10.控制系统，11.样品台，12.磁性分子团簇，13.微型反射器，14.一对梁，15.微型开口环。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，图中反映主要包括激光器1、显微镜2、平面镜3、力感应器4、微位移平台5、亥姆霍兹线圈6、透镜7、四象限光电探测器8、基于光线偏向的测量系统9、控制系统10、样品台11、磁性分子团簇12，所述四象限光电探测器8、基于光线偏向的测量系统9、控制系统10、微位移平台5依次电缆连接，所述力感应器4、亥姆霍兹线圈6均与控制系统10连接，所述基于光线偏向的测量系统9所得的数据输出至所述控制系统10，所述力感应器4的电流大小、亥姆霍兹线圈6的电流大小、微位移平台5的移动均由控制系统10来控制，所述显微镜2位于所述平面镜3上方，通过所述显微镜2来观察所述力感应器4和所述待测磁性分子团簇12之间的位置，所述平面镜3固定于所述亥姆霍兹线圈6上方位置，所述亥姆霍兹线圈6和所述样品台11均为固定，所述力感应器4位于所述样品台11上方、且均位于所述亥姆霍兹线圈6之间，所述磁强计特有的所述磁性分子团簇12磁矩的计算公式为R为微型开口环的半径，kc表示力感应器的刚度，μ0为真空磁导率，Fz为磁性分子团簇所经受的在微型开口环轴线方向的磁力，由此可知，磁矩的测量无需确定所述力感应器4和所述磁性分子团簇12之间的绝对距离，磁矩的测量范围可以通过改变所述力感应器4的电流来实现；
如图2是力感应器平面示意图，所述一对梁14通过长方形电极与衬底上的覆铜电路焊接、且工作时电流为I，所述力感应器4包括一个半径为R的微型开口环15、所述微型开口环15开口处的所述一对梁14和连接于所述微型开口环15圆弧端的所述微型反射器13，所述微型开口环15和所述一对梁14均为柔性的，调节所述微位移平台5使所述力感应器4移动，将所述微型开口环15置于待测的所述磁性分子团簇12上方一定距离z0处，所述控制系统10对所述力感应器加电流I；由所述力感应器4构型以及相应的测量方法，使得所述力感应器4能够探测一些难以达到的、被其他材料包裹的磁性分子团簇，能够用于测量被大量非磁性样品包裹的磁性分子团簇的磁矩，能够直接测量待测样品的磁矩、且不需要知道磁性分子团簇的具体几何构型；所述力感应器4由四微米厚度的铝箔经过激光微加工制成且其刚度为0.5N/m，工作时所述力感应器(4)电流为I＝100mA，温度变化上限为30摄氏度，所述力感应器4中的所述微型开口环15平均半径为70微米；所述微型反射器13由硅材料制成，使得能够增强对照射在其表面上的所述激光器1发出的激光的反射率，能够更高精度的测量所述zc；所述微型反射器13使用微量的环氧树脂与所述微型开口环15的圆弧端粘接。
如图3是力感应器产生偏差zc示意图，所述微型开口环15与所述磁性分子团簇12之间的磁力使所述力感应器4形变而产生zc的偏差，zc反映出磁力的相互作用力，因此所述控制系统10运用上述磁矩计算公式对实验中测得的数据进行处理后，能够得出所述磁性分子团簇12的磁矩，所述磁性分子团簇12直径小于40微米。
所述一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计主要包括激光器1、显微镜2、平面镜3、力感应器4、微位移平台5、亥姆霍兹线圈6、透镜7、四象限光电探测器8、基于光线偏向的测量系统9、控制系统10、样品台11、磁性分子团簇12、微型反射器13、一对梁14、微型开口环15、基于螺线管的源磁场，所述四象限光电探测器8、基于光线偏向的测量系统9、控制系统10、微位移平台5依次电缆连接，所述力感应器4、亥姆霍兹线圈6均与控制系统10连接，所述基于光线偏向的测量系统9所得的数据输出至所述控制系统10，所述力感应器4的电流大小、亥姆霍兹线圈6的电流大小、微位移平台5的移动均由控制系统10来控制，所述显微镜2位于所述平面镜3上方，通过所述显微镜2来观察所述力感应器4和所述待测磁性分子团簇12之间的位置，所述平面镜3固定于所述亥姆霍兹线圈6上方位置，所述亥姆霍兹线圈6和所述样品台11均为固定，所述力感应器4位于所述样品台11上方、且均位于所述亥姆霍兹线圈6之间，所述一对梁14通过长方形电极与衬底上的覆铜电路焊接、且工作时电流为I，所述磁强计特有的所述磁性分子团簇12磁矩的计算公式为R为微型开口环的半径，kc表示力感应器的刚度，μ0为真空磁导率，Fz为磁性分子团簇所经受的在微型开口环轴线方向的磁力，由此可知，磁矩的测量无需确定所述力感应器4和所述磁性分子团簇12之间的绝对距离，磁矩的测量范围可以通过改变所述力感应器4的电流来实现；
所述力感应器4包括一个半径为R的微型开口环15、所述微型开口环15开口处的所述一对梁14和连接于所述微型开口环15圆弧端的所述微型反射器13，调节所述微位移平台5使所述力感应器4移动，将所述微型开口环15置于待测的所述磁性分子团簇12上方一定距离z0处，所述控制系统10对所述力感应器加电流I，所述微型开口环15与所述磁性分子团簇12之间的磁力使所述力感应器4形变而产生zc的偏差，zc反映出磁力的相互作用力，因此所述控制系统10运用上述磁矩计算公式对实验中测得的数据进行处理后，能够得出所述磁性分子团簇12的磁矩。
所述磁性分子团簇12直径小于40微米；所述微型开口环15和所述一对梁14均为柔性的；由所述力感应器4构型以及相应的测量方法，使得所述力感应器4能够探测一些难以达到的、被其他材料包裹的磁性分子团簇，能够用于测量被大量非磁性样品包裹的磁性分子团簇的磁矩，能够直接测量待测样品的磁矩、且不需要知道磁性分子团簇的具体几何构型；所述力感应器4由四微米厚度的铝箔经过激光微加工制成且其刚度为0.5N/m，工作时所述力感应器(4)电流为I＝100mA，温度变化上限为30摄氏度，所述力感应器4中的所述微型开口环15平均半径为70微米；所述微型反射器13由硅材料制成，使得能够增强对照射在其表面上的所述激光器1发出的激光的反射率，能够更高精度的测量所述zc；所述微型反射器13使用微量的环氧树脂与所述微型开口环15的圆弧端粘接。
所述力感应器4的制备
所述力感应器4由四微米厚度的铝箔经过激光微加工制成，由于铝箔在机械加工后有相对较高的粗糙度，加工后的力感应器表面的光反射率不够，所以，在所述力感应器4的微型开口环15的圆弧端加上了一个硅材料制成的所述微型反射器13来增强光反射率，使用微量的环氧树脂将所述微型反射器13粘在所述力感应器4的微型开口环15的圆弧端。
所述力感应器4的校准
通过调节所述微位移平台5，使得所述力感应器4的末端停驻于一个刚性的衬底，然后对所述微位移平台5施加一个已知距离的移动，以此来校准所述力感应器4的灵敏度，由测试结果知，所述力感应器4的灵敏度达到了比原来增强了20倍的技术效果。

Claims (6)

1.一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计，主要包括激光器(1)、显微镜(2)、平面镜(3)、力感应器(4)、微位移平台(5)、亥姆霍兹线圈(6)、透镜(7)、四象限光电探测器(8)、基于光线偏向的测量系统(9)、控制系统(10)、样品台(11)、磁性分子团簇(12)、微型反射器(13)、一对梁(14)、微型开口环(15)、基于螺线管的源磁场，所述四象限光电探测器(8)、基于光线偏向的测量系统(9)、控制系统(10)、微位移平台(5)依次电缆连接，所述力感应器(4)、亥姆霍兹线圈(6)均与控制系统(10)连接，所述基于光线偏向的测量系统(9)所得的数据输出至所述控制系统(10)，所述力感应器(4)的电流大小、亥姆霍兹线圈(6)的电流大小、微位移平台(5)的移动均由控制系统(10)来控制，所述显微镜(2)位于所述平面镜(3)上方，通过所述显微镜(2)来观察所述力感应器(4)和所述磁性分子团簇(12)之间的位置，所述平面镜(3)固定于所述亥姆霍兹线圈(6)上方位置，所述亥姆霍兹线圈(6)和所述样品台(11)均为固定，所述力感应器(4)位于所述样品台(11)上方、且均位于所述亥姆霍兹线圈(6)之间，所述一对梁(14)通过长方形电极与衬底上的覆铜电路焊接、且工作时电流为I，所述磁强计特有的所述磁性分子团簇(12)磁矩的计算公式为R为微型开口环的半径，kc表示力感应器的刚度，μ0为真空磁导率，Fz为磁性分子团簇所经受的在微型开口环轴线方向的磁力，由此可知，磁矩的测量无需确定所述力感应器(4)和所述磁性分子团簇(12)之间的绝对距离，磁矩的测量范围可以通过改变所述力感应器(4)的电流来实现，
其特征是：所述力感应器(4)包括一个半径为R的微型开口环(15)、所述微型开口环(15)开口处的所述一对梁(14)和连接于所述微型开口环(15)圆弧端的所述微型反射器(13)，调节所述微位移平台(5)使所述力感应器(4)移动，将所述微型开口环(15)置于待测的所述磁性分子团簇(12)上方一定距离z0处，所述控制系统(10)对所述力感应器加电流I，所述微型开口环(15)与所述磁性分子团簇(12)之间的磁力使所述力感应器(4)形变而产生zc的偏差，zc反映出磁力的相互作用力，因此所述控制系统(10)运用上述磁矩计算公式对实验中测得的数据进行处理后，能够得出所述磁性分子团簇(12)的磁矩。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计，其特征是：所述磁性分子团簇(12)直径小于40微米。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计，其特征是：所述微型开口环(15)和所述一对梁(14)均为柔性的。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计，其特征是：所述力感应器(4)由四微米厚度的铝箔经过激光微加工制成且其刚度为0.5N/m，工作时所述力感应器(4)电流为I＝100mA，温度变化上限为30摄氏度，所述力感应器(4)中的所述微型开口环(15)平均半径为70微米。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计，其特征是：所述微型反射器(13)由硅材料制成，使得能够增强对照射在其表面上的所述激光器(1)发出的激光的反射率，能够更高精度的测量所述zc。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量磁性分子团簇的磁矩的磁强计，其特征是：所述微型反射器(13)使用微量的环氧树脂与所述微型开口环(15)的圆弧端粘接。
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