CN115493726B

CN115493726B - 一种真空抗磁悬浮力探测器及其应用方法

Info

Publication number: CN115493726B
Application number: CN202211461196.5A
Authority: CN
Inventors: 熊芳; 吴通; 郭磊磊
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2023-05-05
Anticipated expiration: 2042-11-16
Also published as: CN115493726A

Abstract

本发明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。

Description

一种真空抗磁悬浮力探测器及其应用方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明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。

为了解决上述问题，本发明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。

本发明采用的技术方案是：

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。

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。

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。

所述的悬浮机械摆，包括：悬浮端、探头端，和中间的连接杆。

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。

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。

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。

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。

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。

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、磁场标定或者万有引力标定获得。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过悬浮摆的结构设计，将探头从磁势阱中延伸出来，便于在后续力测量过程中与被探测对象接近，也便于在探测对象与探测器之间加屏蔽膜而不会再干扰悬浮势阱的场分布。这将推进悬浮机械振子作为高精度力探测器的实际运用。

2、本发明研发的悬浮摆利用抗磁系统悬浮，计算证明其能够被稳定悬浮并且具备一定的机械振动模式。如果使用其它的悬浮机制来悬浮机械摆，必然需要补充能量输入，将会引入额外的噪音，降低力探测灵敏度。而抗磁悬浮因为其被动悬浮机制，即使悬浮更重的东西也不需要额外的能量注入，不会引入额外噪音。

附图说明

图1 为本发明一种真空抗磁悬浮力探测器在磁势阱中的悬浮示意图。

图2 为本发明一种机械摆各个自由度示意简图。

图3 为本发明一种真空抗磁悬浮力探测器的一种结构示意图。

图4 为本发明一种真空抗磁悬浮力探测器作为悬浮机械摆的原理示意图。

图5 为本发明一种真空抗磁悬浮力探测器对力的响应函数示意图。

图6 为本发明的一种外力探测原理逻辑流程图。

其中：1-悬浮小球；2-探头；3-连接杆；4-永磁铁；5-镀金层；6-金属屏蔽膜；7-探测对象。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，特别说明，下述各种结构和形状为本发明的一个例子，不应将其视为本发明的全部或者视为对本发明的限定或者限制。

本实施例公开的一种真空抗磁悬浮力探测器，所有图例中的示意图仅是为了便于描述相关概念，并不与实际物体大小成正比。

一种真空抗磁悬浮力探测器，包括：磁悬浮势阱（如图1所示）、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；

所述磁悬浮势阱，其制备步骤是：

步骤一：利用COMSOL或者ANSYS仿真软件模拟设计永磁铁构型，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；

步骤四：用环氧树脂将永磁铁组件粘牢封装。

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；

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。

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；

所述悬浮端、探测端与杆组装或者一体化加工而成：

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；

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；

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，注意：若待测信号是电场或者磁场则无需添加相应的屏蔽膜，以免屏蔽待测信号；

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：

2）用四象限光电探测器探测经过悬浮摆散射后的激光；

ΔX= ζΔV；

应用实施例

基于本实例运用于精密力探测的具体的实施步骤是：

第一步，磁悬浮势阱的设计与组装：

首先利用COMSOL或者ANSYS等仿真软件模拟设计永磁铁结构，在设计永磁铁结构的

过程中要求保证所选的悬浮摆够在三维空间稳定悬浮，并且需要预留小孔供悬浮摆穿过，保证探测端伸出磁势阱。设计了如图1所示的永磁铁4，所述永磁铁4为力探测器提供抗磁悬浮势阱，它是由上下两层，每层8块梯形磁体构成，每层都预留通孔，上层通孔为束缚区，为悬浮小球1提供抗磁力，悬浮小球1受到悬浮力，用来抵抗悬浮小球1、连接杆3和探头2的重力，下层通孔使得连接杆3能够自由伸出磁势阱。

然后按照设定的构型对永磁铁组件进行加工与充磁。

将加工好的磁铁按照设计的方式进行组装。

用环氧树脂或者其它高真空适用的胶水将永磁铁组件粘牢封装，实现磁悬浮势阱制备。

第二步，悬浮摆振动模式建模：

设计悬浮摆需要计算出它各个自由度的振动模式，以便根据具体应用选取合适的大小、形状以及材料的悬浮小球、连接杆和探头，对悬浮摆振动模式建模：

所述的磁势阱通过钕铁硼永磁体4提供，磁势阱沿三个方向的回复力系数分别是。

如图2所示，悬浮机械摆具有5个自由度，包括：质心坐标，杆与竖直方向夹角 θ，杆绕竖直方向转动角度 ψ，根据牛顿第二定律以及刚体转动定理，对悬浮机械摆的各个自由度进行受力分析，得到运动方程组：

其中为悬浮端偏离磁势阱中心的位移，由几何关系以及受力分析可得：

其中分别代表悬浮小球1与小球2（探头）偏离悬浮摆平衡位置在方向的位移；m代表整个悬浮机械摆的质量，分别代表悬浮端、探测端和连接杆的质量；分别代表悬浮端与探测端的球半径，L代表连接杆长； I ₁代表悬浮机械摆绕垂直于竖直方向（xy方向）转动的转动惯量； I ₂代表悬浮机械摆绕竖直方向（z方向）转动的转动惯量。

解运动方程组，即可得到悬浮摆的各个运动模式。为了简化运动模式的求解，在此给出一组特殊参数的悬浮摆振动模式的解：

当，杆总长为L，且机械悬浮摆只在xz平面内运动，在小角度近似下，通过解常系数线性微分方程组得到机械悬浮摆有3个振动模式：

其中a、b、c满足：

。

第三步，悬浮摆的制备：

如图3所示力探测器包括悬浮小球1、探头2、连接杆3，其中，探头2、连接杆3镀有表面镀金层4。所述悬浮小球1需具备抗磁性，用来提供整个力探测器的悬浮力；所述探头2是一个小球或者其它构型；所述连接杆3用以连接悬浮小球1和探头2，连接杆3具备刚性，悬浮摆在振动过程中其形变可忽略；所述表面镀金层5可采用蒸镀的方法蒸镀于探头2与连接杆3上。具体操作如下：

根据理论计算好的参数，在制备好悬浮端、探测端与杆后，便可以制备悬浮摆：可以在显微镜和其它加持设备的辅助下，通过紫外胶将三者粘连在一起。也可以用微纳加工或者微缩3D打印技术实现一体化加工。还可以用其它方式实现一体化加工，比如利用光纤熔融技术，具体方案如下：首先准备一根长度适中大小适中的光纤纤芯；然后采用激光熔切机在光纤两端各熔融出一个小球，熔融出的小球作为探头端和悬浮端；最后采用蒸镀工艺，在表面蒸镀一层亚微米厚度的金属薄膜，以达到防静电作用。

第四步，制备屏蔽膜：

屏蔽膜用以屏蔽探测过程中的电磁力干扰，其制作步骤是：微纳机械加工一块氮化硅薄膜；微纳机械加工一个氮化硅薄膜适配框架；将氮化硅薄膜固定安装在薄膜框架上。

第五步，外围光路电路以及真空腔的设计：

根据探测需求设计好外围光路电路以及真空腔，其中光路部分包括：激光器、光纤、各类波片、透镜、紫外灯，以及其他光学器件；电路部分包括：电源、电线、四象限光电探测器、信号发生器、信号处理模块、锁相放大器、FPGA模块以及其他电子器件。

真空腔内各个器件的安装与排布需要按照要求设计好，其中还需包括温控系统、隔振系统、信号发生模块、探测模块等等。

第六步，悬浮摆的捕获以及信号装置的添加：

悬浮摆的捕获：可根据悬浮摆的尺寸可以采取不同的方式将探测器悬于磁势阱中，常

用的方式为利用加持系统在显微镜的辅助下缓慢将悬浮摆置于磁势阱中，为防止静电力的干扰，此过程可事先做去静电处理，比如紫外灯的照射。

信号装置的添加：将制备好的信号装置（比如用压电陶瓷驱动的密度周期性排布的质量块）安装在探头2的下方，调节好信号装置与探头2之间的距离。在探头2与探测对象7之间放置金属屏蔽膜6，用以隔绝探头2与待测对象7之间的表面力干扰。

第七步，位移与力的探测：

所述探测对象7产生待测力作用于探头2上，在探头2与探测对象7之间架好金属屏蔽膜6，用以屏蔽表面力干扰。如若探测静电力，则无需添加静电屏蔽膜，如若像原子力显微镜那样探测物体表面形态，则可以不添加任何屏蔽膜。

如图4所示，当外界力（比如由7产生的万有引力或者电场力）作用在探头2上，若周期性调制万有引力，则悬浮摆就会摆动起来，通过测量悬浮摆的振幅大小以及其它相关参数，便能反应被探测力的大小。

为此需要计算在外力F的作用下，悬浮端小球1和探测端探头2的振幅各式多少，即分别计算他们的传递函数，这样就可以通过振幅反推力。

悬浮摆具备机械振动模式，具备力探测能力，设施加在探测端探针上的力为F₀，通过对其运动方程进行傅里叶变换后求解线性方程组可分别得到悬浮端小球1和探测端探头2对正弦函数力F₀的响应，设悬浮端和探测端响应的振幅分别为A₁和A₂，则其力传递函数分别为：

代表悬浮摆上的悬浮端悬浮小球1的力的传递函数，代表悬浮摆上的探测端探头2的力传递函数，其中A, B, C, D满足：

。

图5表示悬浮端小球1和探测端探头2对外力的响应函数。正弦函数外力为F₀，悬浮端的振幅为A₁，探头2的振幅为A₂，悬浮小球1的力响应函数为，探头2的力响应函数为，其图像如图5所示。

图6表示外力探测的原理逻辑流程：外力作用于探头2上，会影响悬浮摆的运动，悬浮摆的运动体现在悬浮小球1或者探头2上，通过读取悬浮小球1或者探头2的位移从而推导出外力的大小。具体做法为：

将入射激光光纤对准悬浮小球1，透射的激光用四象限光电探测器探测，根据四象限光电探测器各个象限探测的功率以及悬浮摆的伏米系数可解析出悬浮端小球1在各个方向的运动，根据计算出来的传递函数以及公式，便可求解出施加在探测小球2上的作用力F的大小。

第七步也可以根据需求替换成第八步。

第八步，位移与力的探测：

将入射激光光纤对探测端小球2，透射的激光用四象限光电探测器探测，根据四象限光电探测器各个象限探测的功率以及悬浮摆的伏米系数可解析出探测端小球2在各个方向的运动，根据计算出来的传递函数以及公式，便可求解出施加在探测小球2上的作用力F的大小。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

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，位于磁悬浮势阱中，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；

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；

所述磁悬浮势阱，其制备步骤是：

步骤四：用环氧树脂将永磁铁组件粘牢封装；

所述的悬浮机械摆，包括：悬浮端、探头端，和中间的连接杆；

所述悬浮端，位于所述的磁悬浮势阱内，悬浮端具备抗磁性，平衡时，悬浮端在磁悬浮势阱中所受到的磁力等于整个悬浮机械摆的重力；

所述探头端，位于磁悬浮势阱外，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；

所述悬浮端、探测端与杆组装或者一体化加工而成：

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；

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，所述的步骤一，利用COMSOL或者ANSYS仿真软件模拟设计永磁铁构型。

3.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。

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，以及所述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；

5.一种根据权利要求1所述的真空抗磁悬浮力探测器的应用方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：准备待测信号发生与处理模块，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：使信号发生与处理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，将信号发生与处理模块置于抗磁悬浮力探测器的金属屏蔽膜之下，将力信号施加到力探测器的探测端；

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：

2）用四象限光电探测器探测经过悬浮摆散射后的激光；

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，悬浮摆的运动位移为ΔX，ζ为伏米系数，其数值通过热噪声标定、电场标定、磁场标定或者万有引力标定获得。