KR20110060029A - Micro force sensor and micro force measurement method using double ended fork vibration - Google Patents

Micro force sensor and micro force measurement method using double ended fork vibration Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A micro force sensor and micro force measuring method which uses the vibration of double ended turning fork are provided to implement high resolution by sensing resonant frequency through the displacement of beam. CONSTITUTION: A probe(10) is fixed to a supporting unit and reacts the force. A double beam(30) has first resonance frequency which is transformed by the force. A vibrator(40) includes a frequency control unit and the double beam by the voltage. A light source unit(50) includes light source, optical fiber, and a frequency comparator. A control unit(60) calculates the force through the comparison of a first resonance frequency.

Description

소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서 및 마이크로 힘 측정방법{MICRO FORCE SENSOR AND MICRO FORCE MEASUREMENT METHOD USING DOUBLE ENDED FORK VIBRATION}MICRO FORCE SENSOR AND MICRO FORCE MEASUREMENT METHOD USING DOUBLE ENDED FORK VIBRATION}

본발명은 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서 및 마이크로 힘 측정방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 마이크로 스케일로 제작된 양쪽 끝이 막힌 소리굽쇠(Double-Ended Turning Fork, DETF)를 사용하고 광학적 방식으로 소리굽쇠의 미세한 진동의 변위를 감지하도록 하여 소리굽쇠의 공진주파수를 측정하고 소리굽쇠에 가해지는 힘에 비례한 공진주파수 변화를 이용하여 nN(나노뉴턴) 이하의 고분해능을 가지는 마이크로 힘센서 및 마이크로 힘 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a micro force sensor and a micro force measuring method using tuning fork vibration. More specifically, the micro-scaled double-ended turning fork (DETF) is used and optically detects the slight vibration displacement of the tuning fork to measure the resonance frequency of the tuning fork and is applied to the tuning fork. The present invention relates to a micro force sensor having a high resolution of less than nN (nanonewton) and a micro force measuring method using a change in resonance frequency proportional to the force.

높은 분해능을 갖는 마이크로 힘 센서는 원자힘 현미경(AFM, Atomic Force Microscope)에 주로 사용되는 캔틸레버형 구조를 채택하고 있다. 캔틸레버 구조는 높은 감도를 얻는 데에 매우 유리하지만 원하는 방향의 힘에만 민감한 것이 아니라 다른 방향의 힘에도 민감하며 수직으로 변형할 때 수평방향의 변위도 같이 발생하므로 선형성도 떨어진다.The high resolution micro force sensor adopts a cantilevered structure which is mainly used in atomic force microscopes (AFM). The cantilever structure is very advantageous for obtaining high sensitivity, but it is not only sensitive to the force in the desired direction, but also sensitive to the force in the other direction, and also linearly deteriorates because the displacement in the vertical direction also occurs.

힘에 비례한 신호를 검출하는 방식은 여러 가지 방식이 있다. 가장 많이 쓰 이는 방식은 AFM에서 사용하는 광지렛대 방식인데 감도는 우수하지만 광지렛대를 구성하기 위해 많은 부품이 들어가고 부피가 크기 때문에 단일 힘 센서 검출방식으로 적절하지 않다.There are many ways to detect signals proportional to force. The most commonly used method is the optical lever method used in AFM. Although it has excellent sensitivity, it is not suitable as a single force sensor detection method because of the large number of components and bulky parts to construct the optical lever.

다른 방식으로서 압저항 방식이 있는데 압저항은 반도체 공정으로 비교적 쉽게 구조물에 생성할 수 있고 구조물이 변형을 일으키면 압저항의 저항변화를 감지하기 때문에 신호처리 취득이 쉽고 구조가 아주 간단하여 마이크로 힘 센서에 적합한 방법이라고 할 수 있다. 하지만 압저항 방식의 경우, 반도체 공정상 평면 구조를 갖는 센서 밖에 이용할 수 없으며 감도가 광 방식에 비해 떨어지는 단점이 있다. 상용의 마이크로 힘 센서는 모두 캔틸레버구조(평면구조임)와 압저항 센싱 방법을 사용하고 있다.Another method is piezoresistive, which is a semiconductor process that can be produced in a structure relatively easily and detects the resistance change of piezoresistor when the structure is deformed, so it is easy to acquire signal processing and the structure is very simple. It is a suitable method. However, in the piezoresistive method, only a sensor having a planar structure can be used in a semiconductor process, and a sensitivity is inferior to that of an optical method. All commercially available micro force sensors use cantilever structures (planar structures) and piezoresistive sensing methods.

공진형 센서는 공진주파수가 측정량의 함수로 표현되는 것으로 공진기에 힘이나 압력이 가해지게 구조를 디자인하면 힘이나 압력에 비례한 공진주파수 변화를 얻어낼 수 있다. 이에 기초한 매크로(Macro) 스케일의 힘 센서, 정밀저울, 압력, 유량 센서가 개발되었고 상용화되었으나 공진형 센서를 이용한 마이크로 힘 센서는 아직 시도된 바 없다. In the resonant sensor, the resonant frequency is expressed as a function of measurand. When the structure is designed to apply force or pressure to the resonator, the resonant frequency change can be obtained in proportion to the force or pressure. Macro scale force sensors, precision scales, pressure and flow sensors have been developed and commercialized, but micro force sensors using resonant sensors have not been attempted.

따라서, 마이크로 스케일에서 신뢰성 있고 정확한 재료 물성 측정, 힘 측정을 위해서 기존 캔틸레버 구조와 압저항 방식을 이용한 마이크로 힘 센서의 단점을 극복할 새로운 개념의 공진형 힘 센서의 필요성이 대두된다.Therefore, there is a need for a new concept of resonant force sensor to overcome the shortcomings of the micro force sensor using the cantilever structure and piezoresistive method for reliable and accurate material property measurement and force measurement at the micro scale.

본발명은 상기와 같은 필요에 의해 창출된 것으로서, 본발명의 목적은 힘측정을 위해 주파수를 기반으로 하여 안정도 및 정확도가 우수한 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서 및 마이크로 힘 측정방법을 제공하는 데 있다.The present invention has been created by the above needs, and an object of the present invention is to provide a micro force sensor and a micro force measuring method using the tuning fork vibration with excellent stability and accuracy based on frequency for force measurement.

또한, 마이크로 스케일로 양쪽 끝이 막힌 소리굽쇠(Double-Ended Turning Fork, DETF)를 사용하고 공진주파수는 광학적으로 빔의 변위를 감지하도록 하여 nN(나노뉴턴) 이하의 고분해능을 가지는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서 및 마이크로 힘 측정방법을 제공하는 데 있다.In addition, micro-scale uses a double-ended turning fork (DETF), and the resonant frequency optically detects the displacement of the beam, so that the micro-force using the tuning fork vibration having a high resolution of less than nN (nanonewton) The present invention provides a sensor and a micro force measuring method.

상기와 같은 본발명의 목적은 지지수단(110)에 고정되어 소정의 힘에 반응하는 프로브(10); 지지수단(110)에 중심축(210)을 두고 프로브(10)와 일단이 연결되어 힘을 수신하며 타단이 힘과 반대방향으로 이동하는 지렛대(20); 일단이 지렛대(20)의 타단에 연결되며 타단이 지지수단(110)과 연결되어 힘에 의해 변형됨으로써 제 1공진주파수가 변화되며 두 개의 빔이 평행하게 구성된 더블빔(30); 가진 주파수를 조절하는 주파수조절수단(410)과 주파수조절수단(410)에 의해 더블빔(30)과의 사이에 소정의 전압이 형성되는 전극(420)을 포함하고 전압에 의해 더블빔(30)을 가진 주파수로 가진시키는 가진수단(40); 더블빔(30)의 진동 주파수를 측정하기 위해 더블빔(30)의 표면에 소정의 광을 조사하는 광원(510)과 광을 더블빔(30)의 표면에 유도하며 끝단에서 광의 일부를 반사시키는 광섬유(520)와 더블빔(30)의 표 면에서 반사된 제 1광(L1)과 광섬유(520)의 끝단에서 반사된 제 2광(L2)의 간섭에 기초하여 더블빔(30)의 진동 주파수를 도출하고 가진 주파수를 진동 주파수와 일치시키기 위해 가진수단(40)과 루프로 형성된 주파수비교기(530)를 포함하는 광원부(50); 및 진동 주파수와 가진 주파수가 일치되는 제 2공진주파수를 도출하고 제 1공진주파수와 비교를 통해 힘을 산출하는 제어부(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서를 제공함으로써 달성될 수 있다.The object of the present invention as described above is fixed to the support means 110, the probe 10 in response to a predetermined force; A lever 20 having a central axis 210 on the support means 110 and one end connected to the probe 10 to receive a force and the other end moving in a direction opposite to the force; A double beam 30 having one end connected to the other end of the lever 20 and the other end connected to the supporting means 110 to be deformed by a force so that the first resonant frequency is changed and two beams are arranged in parallel; A double beam 30 is formed by a voltage including an electrode 420 having a predetermined voltage formed between the double beam 30 by a frequency adjusting means 410 and a frequency adjusting means 410 for adjusting an excitation frequency. An excitation means 40 for exciting with a frequency having In order to measure the vibration frequency of the double beam 30, the light source 510 irradiating a predetermined light to the surface of the double beam 30 and the light is guided to the surface of the double beam 30 and reflects a part of the light at the ends. Vibration of the double beam 30 based on interference of the first light L1 reflected at the surface of the optical fiber 520 and the double beam 30 and the second light L2 reflected at the end of the optical fiber 520. A light source unit 50 including a frequency comparator 530 formed in a loop with an excitation means 40 for deriving a frequency and matching the excitation frequency with a vibration frequency; And a control unit 60 for deriving a second resonant frequency having a matching frequency with the vibration frequency and calculating a force through comparison with the first resonant frequency. Can be achieved.

프로브(10)는 수직력을 전달받기 위해 횡방향으로 지지수단(110)과 수 마이크로 두께를 갖는 고정구조물(120)로 고정된 것이 바람직하다.The probe 10 is preferably fixed to the support structure 110 and the fixed structure 120 having a few micro-thickness in the transverse direction to receive the vertical force.

지렛대(20)의 일단과 타단은 나노 스케일의 힘을 측정하기 위해 중심축(210)과의 거리가 소정의 비율로서 정해지는 것이 바람직하다.One end and the other end of the lever 20 is preferably a distance to the central axis 210 is determined as a predetermined ratio in order to measure the force of the nano-scale.

제어부(60)는 지렛대(20)의 비율에 기초하여 힘을 산출하는 것이 바람직하다.The control unit 60 preferably calculates the force based on the ratio of the lever 20.

지렛대(20)와 중심축(210)은 힘이 사라질 경우 탄성력에 의해 복원되는 것이 바람직하다.The lever 20 and the central axis 210 is preferably restored by the elastic force when the force disappears.

프로브(10), 지렛대(20), 더블빔(30)은 단결정 실리콘 기판에 패터닝하여 제작되거나 석영의 습식식각 공정 또는 레이저를 이용한 애블레이션으로 제작될 수 있다.The probe 10, the lever 20, and the double beam 30 may be manufactured by patterning a single crystal silicon substrate, or may be manufactured by wet etching of quartz or ablation using a laser.

광원(510)은 레이저광일 수 있다.The light source 510 may be laser light.

전극(420)과 더블빔(30)과 광섬유(520)는 동일 선상에 위치하는 것이 바람직하다.The electrode 420, the double beam 30, and the optical fiber 520 are preferably positioned on the same line.

광원부(50)는 제 1광(L1)과 제 2광(L2)을 수신하여 그 각각에 대응하는 제 1전기신호와 제 2전기신호를 생성하는 광검출기(560)를 더 포함하는 것이 바람직하다.The light source unit 50 may further include a photo detector 560 which receives the first light L1 and the second light L2 and generates a first electric signal and a second electric signal corresponding to the first light L1 and the second light L2, respectively. .

또한, 광원부(50)는 광검출기(560)와 주파수비교기(530) 사이에 연결되어 제 1전기신호 및 제 2전기신호를 필터링하는 필터(540)를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the light source unit 50 may further include a filter 540 connected between the photodetector 560 and the frequency comparator 530 to filter the first electrical signal and the second electrical signal.

그리고, 광원부(50)는 광검출기(560)와 주파수비교기(530) 사이에 연결되어 제 1전기신호 및 제 2전기신호를 증폭하기 위한 증폭기(550)를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the light source unit 50 may further include an amplifier 550 connected between the photodetector 560 and the frequency comparator 530 to amplify the first electrical signal and the second electrical signal.

한편 본발명의 목적은 다른 카테고리로서, 프로브(10)가 외부로부터 소정의 힘을 전달받는 제 1힘수신단계(S100); 지렛대(20)의 일단이 지지수단(110)에 중심축(210)을 두고 프로브(10)와 연결되어 힘을 전달받는 제 2힘수신단계(S110); 두 개의 빔이 평행하게 구성되어 제 1공진주파수를 갖는 더블빔(30)이 지렛대(20)의 타단과 지지수단(110) 사이에 고정되어 힘에 의해 변형됨으로써 제 1공진주파수가 변화되는 단계(S120); 가진수단(40)의 전극(420)이 더블빔(30)과의 사이에서 주파수조절수단(410)으로부터 조절된 가진 주파수의 전압을 형성하여 더블빔(30)을 가진시키는 가진단계(S130); 광원부(50)의 광원(510)에서 조사된 소정의 광이 광원(510)과 연결된 광섬유(520)를 통해 더블빔(30)의 표면에 조사되는 광조사단계(S140); 주파수비교기(530)가 더블빔(30)의 표면에서 반사된 제 1광(L1)과 광섬유(520)의 끝단에서 반사된 제 2광(L2)의 간섭에 기초하여 더블빔(30)의 진동 주파 수를 연산하는 단계(S150); 가진수단(40)이 가진 주파수를 연산된 진동 주파수에 일치시키기 위해 루프로 형성된 주파수비교기(530)로부터 진동 주파수에 대응하는 진동 주파수 정보를 수신하는 단계(S160); 가진수단(40)이 수신된 진동 주파수 정보에 기초하여 진동 주파수와 일치시키기 위해 가진 주파수를 갱신하는 단계(S170); 및 가진수단(40)과 연결된 제어부(60)가 진동 주파수와 가진 주파수가 일치하는 변경된 제 2공진주파수를 도출하고 제 1공진주파수와 비교하여 힘을 산출하는 단계(S180);를 포함하는 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘 측정방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.Meanwhile, an object of the present invention is another category, the first force receiving step of receiving a predetermined force from the probe 10 from the outside (S100); A second force receiving step S110 of which one end of the lever 20 is connected to the probe 10 with a central axis 210 at the support means 110 to receive a force; The second beam is configured in parallel so that the double beam 30 having the first resonant frequency is fixed between the other end of the lever 20 and the support means 110 is deformed by the force to change the first resonant frequency ( S120); An exciting step (S130) of the electrode 420 of the exciting means 40 forming a voltage of the excited frequency from the frequency adjusting means 410 between the double beam 30 and the double beam 30; A light irradiation step (S140) in which predetermined light irradiated from the light source 510 of the light source unit 50 is irradiated onto the surface of the double beam 30 through the optical fiber 520 connected to the light source 510; The frequency comparator 530 vibrates the double beam 30 based on the interference of the first light L1 reflected from the surface of the double beam 30 and the second light L2 reflected from the end of the optical fiber 520. Calculating a frequency (S150); Receiving vibration frequency information corresponding to the vibration frequency from the frequency comparator 530 formed as a loop to match the frequency of the excitation means 40 with the calculated vibration frequency (S160); Updating the excitation frequency by the excitation means 40 to match the vibration frequency based on the received vibration frequency information (S170); And deriving, by the control unit 60 connected to the excitation means 40, a second resonant frequency whose vibration frequency and excitation frequency coincide, and calculating a force by comparing the first resonant frequency (S180). It can be achieved by providing a micro force measurement method using the tuning fork vibration.

본발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 마이크로 힘 측정을 위해 주파수를 기반으로 소리굽쇠 진동을 이용하므로 안정도 및 정확도가 우수한 효과가 있다. 또한, 마이크로 스케일의 양쪽 끝이 막힌 소리굽쇠(Double-Ended Turning Fork, DETF)를 사용하고 광학적으로 아주 미세한 빔의 변위를 감지하여 공진주파수를 알아내므로 nN(나노뉴턴) 이하의 고분해능을 구현하는 효과가 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, because the tuning fork vibration based on the frequency for the micro force measurement has an excellent stability and accuracy. In addition, by using a double-ended turning fork (DETF) with both ends of the micro-scale, and detecting the optically fine displacement of the beam to determine the resonant frequency, the effect of achieving high resolution below nN (nanonewton) There is.

<< 실시예Example >>

도 1은 본발명에 따른 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본발명인 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서는 프로브(10), 지렛대(20), 더블빔(30), 가진수단(40), 광원부(50) 및 제어부(60)로 구성된다. 프로브(10)가 외부로부터 소정의 힘을 수신하면, 이와 연결된 지렛대(20)가 힘을 전달받아 가진수단(40)의 가진으로 소리굽쇠 진동을 일으키는 더블빔(30)에 전달하게 된다. 이어서 더블빔(30)의 변형으로 공진 주파수가 변경되고 광원부(50)에서 광의 조사 및 광 간섭신호에 기초한 진동 주파수를 연산한다. 그리고 가진수단(40)에 의해 가진 주파수가 조정됨으로써 진동 주파수와 일치하면 제어부(60)가 공진 주파수 변경에 기반하여 마이크로 스케일의 힘을 도출하게 된다. 1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of an embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 1, the micro force sensor using the tuning fork vibration of the present invention includes a probe 10, a lever 20, a double beam 30, an excitation means 40, a light source 50, and a controller 60. do. When the probe 10 receives a predetermined force from the outside, the lever 20 connected to the probe 10 is transmitted to the double beam 30 causing the fork vibration by the excitation of the excitation means 40. Subsequently, the resonance frequency is changed by the deformation of the double beam 30, and the light source unit 50 calculates a vibration frequency based on light irradiation and an optical interference signal. When the excitation frequency is adjusted by the excitation means 40 and the vibration frequency coincides with the vibration frequency, the controller 60 derives the force of the microscale based on the change of the resonance frequency.

도 2는 본발명의 일실시예로서 지렛대(20)와 더블빔(30)이 수신한 외력을 가진수단(40), 광원부(50) 및 제어부(60)를 통해 측정하는 상태를 나타낸 구성도이다. 이하 도 2에 도시된 바와 같이, 힘을 수신하는 기구부로서 외부로부터 힘을 수신하는 프로브(10), 힘점인 일단에 가해지는 힘을 작용점인 타단에 변형 전달하는 지렛대(20) 및 지렛대(20)의 작용점인 타단에 고유의 공진 주파수를 갖는 두 개의 나란한 빔 형태의 더블빔(30)으로 구성된다. 그리고, 가진수단(40)은 주파수조절수단(410) 및 전극(420)으로 구성되고, 광원부(50)는 광원(510)과 광섬유(520), 주파수비교기(530), 필터(540), 증폭기(550), 광검출기(560) 및 커플러(570)로 구성된다. 여기서, 프로브(10)는 다시 기구부의 몸통을 형성하는 지지수단(110) 및 프로브(10)를 지지수단(110)에 고정하는 고정구조물(120)로 구성될 수 있다.2 is a configuration diagram showing a state measured through the means 40, the light source unit 50 and the control unit 60 having the external force received by the lever 20 and the double beam 30 as an embodiment of the present invention. . 2, as a mechanism for receiving a force, a probe 10 for receiving a force from the outside, a lever 20 for transforming and transmitting a force applied to one end as a force point to the other end as an action point, and a lever 20 It consists of a double beam 30 in the form of two side-by-side beams having a resonant frequency inherent at the other end of the point of action. And, the excitation means 40 is composed of a frequency adjusting means 410 and the electrode 420, the light source unit 50 is a light source 510 and an optical fiber 520, a frequency comparator 530, a filter 540, an amplifier 550, photodetector 560, and coupler 570. Here, the probe 10 may be composed of the support means 110 to form the body of the mechanism again and the fixing structure 120 for fixing the probe 10 to the support means 110.

프로브(10)는 지지수단(110)에 고정되어 일 방향의 마이크로 힘에 반응할 수 있도록 마이크로 두께를 갖는 고정구조물(120)에 의해 고정된다. 여기서, 지지수단(110)은 외부의 힘에 의해 영향을 받지 않아야 하므로 프로브(10)에 비해 부피 및 무게가 큰 것을 사용하여 제작한다. 그리고 고정구조물(120)은 프로브(10)가 마이크로 힘에 반응하여 힘 방향으로 움직일 수 있도록 힘 방향에 수직 방향으로 프 로브(10)에 연결되는 다수의 선구조물로 제작된다.The probe 10 is fixed by the fixing structure 120 having a micro thickness so that the probe 10 may be fixed to the supporting means 110 and respond to the micro force in one direction. Here, since the support means 110 should not be affected by an external force, the support means 110 is manufactured using a larger volume and weight than the probe 10. The fixed structure 120 is made of a plurality of line structures connected to the probe 10 in a direction perpendicular to the force direction so that the probe 10 can move in the force direction in response to the micro force.

지렛대(20)는 지지수단(110)에 중심축(210)을 두고 프로브(10)와 힘점인 일단이 연결되어 힘을 수신하며 작용점인 타단이 힘 반대방향으로 움직이도록 하여 더블빔(30)을 변형시키는 역할을 한다. 또한 작은 힘에 대해서도 감도를 높이기 위해 중심축(210)을 기준으로 프로브(10) 측의 힘점까지의 거리보다 더블빔(30) 측의 작용점까지의 거리가 더 짧도록 제작되며 그 거리 비율은 측정하고자 하는 마이크로 힘의 크기에 따라 정해질 수 있다. 그리고, 지렛대(20)는 외부의 힘이 사라질 경우 원상태로 복원할 수 있도록 중심축(210)은 소정 크기의 탄성을 지닌 소재로 제작한다.The lever 20 has a central axis 210 on the supporting means 110 and one end of the force point is connected to the probe 10 to receive the force, and the other end of the acting point moves in the opposite direction of the force to move the double beam 30. It serves to transform. In addition, the distance to the working point of the double beam 30 side is shorter than the distance to the force point of the probe 10 side with respect to the central axis 210 in order to increase the sensitivity even for a small force, the distance ratio is measured It can be determined according to the size of the micro force to be. And, the lever 20 is made of a material having a predetermined size of elasticity so that the central axis 210 can be restored to its original state when the external force disappears.

더블빔(30)은 두 개의 빔을 나란하게 하여 양끝이 각각 지렛대(20)와 지지수단(110)에 고정되는 폐쇄형의 소리굽쇠 형상이며, 후술할 가진수단(40)에 의해 횡으로 가진되기 위한 구성이다. 더블빔(30)은 길이에 따른 공진 주파수를 갖는데 외부의 힘에 의해 길이 변형이 이루어지면 공진 주파수가 변경된다. 그리고 이러한 더블빔(30)은 외부의 힘이 사라진 경우에는 원상태의 길이로 복원될 수 있도록 소정 크기의 탄성을 지닌 것을 사용하며, 본 실시예에서는 단결정 실리콘을 이용하여 제작된다.The double beam 30 is a closed tuning fork shape in which both ends are fixed to the lever 20 and the support means 110, respectively, side by side with two beams, to be laterally excited by the excitation means 40 which will be described later. Configuration. The double beam 30 has a resonant frequency according to its length. When the length is changed by an external force, the resonant frequency is changed. In addition, the double beam 30 uses an elastic material having a predetermined size so that when the external force disappears, it can be restored to its original length. In the present embodiment, the double beam 30 is manufactured using single crystal silicon.

프로브(10), 지렛대(20), 더블빔(30) 모두는 단결정 실리콘의 기판에 패터닝(patterning)하여 제작될 수 있으며, 이때 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정을 이용한다. 그리고 석영(Quartz)으로 제작될 수도 있는데 석영의 경우 습식식각 공정 또는 레이저를 이용한 애블레이션(Ablation)을 통해 가능하다.The probe 10, the lever 20, and the double beam 30 may all be fabricated by patterning a single crystal silicon substrate, using a deep reactive ion etching (DRIE) process. In addition, it may be made of quartz, which is possible through a wet etching process or an ablation using a laser.

가진수단(40)은 가진 주파수를 조절하는 주파수조절수단(410)과 주파수조절수단(410)에 의해 더블빔(30)과의 사이에 소정의 전압이 형성되는 전극(420)을 포함하여 구성되며, 전압에 의해 더블빔(30)을 가진 주파수로 가진시키는 역할을 한다. The excitation means 40 includes a frequency adjusting means 410 for adjusting an excitation frequency and an electrode 420 having a predetermined voltage formed between the double beam 30 by the frequency adjusting means 410. , And acts to excite the frequency with the double beam 30 by the voltage.

여기서, 주파수조절수단(410)은 더블빔(30)과 대면하는 전극(420)에 가진 주파수의 전압을 인가하며, 더블빔(30)의 진동 주파수와 동조 되도록 가진 주파수를 갱신하는 역할을 한다. 그리고 전극(420)은 더블빔(30)과 후술할 광섬유(520)가 동일 선상에 놓일 수 있도록 설치한다.Here, the frequency adjusting means 410 applies a voltage having a frequency on the electrode 420 facing the double beam 30, and serves to update the frequency to be synchronized with the vibration frequency of the double beam 30. The electrode 420 is installed so that the double beam 30 and the optical fiber 520 to be described later may be placed on the same line.

광원부(50)는 더블빔(30)의 진동 주파수를 측정하기 위해 더블빔(30)의 표면에 소정의 광을 조사하는 광원(510)과 광을 더블빔(30)의 표면에 유도하며 끝단에서 광의 일부를 반사시키는 광섬유(520), 그리고 더블빔(30)의 표면에서 반사된 제 1광(L1)과 광섬유(520)의 끝단에서 반사된 제 2광(L2)의 간섭에 기초하여 더블빔(30)의 진동 주파수를 도출하고 가진 주파수를 진동 주파수와 일치시키기 위해 가진수단(40)과 루프로 형성된 주파수비교기(530)로 구성된다.The light source unit 50 guides the light source 510 for irradiating a predetermined light onto the surface of the double beam 30 and the light to the surface of the double beam 30 to measure the vibration frequency of the double beam 30. The double beam based on the interference between the optical fiber 520 reflecting a part of the light and the first light L1 reflected at the surface of the double beam 30 and the second light L2 reflected at the end of the optical fiber 520. And a frequency comparator 530 formed in a loop and an excitation means 40 for deriving the vibration frequency of 30 and matching the excitation frequency with the vibration frequency.

여기서, 광원(510)은 직진성이 강하며 단일 파장을 갖는 레이저광을 사용하되 더블빔(30)의 표면에 반사될 제 1광(L1)과 더블빔(30) 측 광섬유(520)의 끝단에서 반사되는 제2광의 간섭을 위해 더블빔(30)의 진동 주파수를 고려한 단일 파장을 선택한다. 광섬유(520)는 광의 이동경로임과 동시에 간섭을 위해 그 끝단에서 광의 반사를 위한 구성이 된다.Here, the light source 510 has a strong straightness and uses a laser light having a single wavelength, but at the ends of the first light L1 and the double beam 30 side optical fiber 520 to be reflected on the surface of the double beam 30. A single wavelength is selected in consideration of the vibration frequency of the double beam 30 for the interference of the reflected second light. The optical fiber 520 is a movement path of the light and is configured to reflect light at the end thereof for interference.

주파수비교기(530)는 더블빔(30)의 표면에 반사되는 제 1광(L1)과 더블 빔(30) 측 광섬유(520)의 끝단에서 반사되는 제2광의 간섭으로 생기는 간섭패턴을 통해 더블빔(30)의 진동 주파수를 연산한다. 그리고 진동 주파수에 대응하는 진동 주파수 정보를 가진수단(40)에 제공한다.The frequency comparator 530 has a double beam through an interference pattern generated by interference of the first light L1 reflected on the surface of the double beam 30 and the second light reflected at the end of the optical fiber 520 on the double beam 30 side. The vibration frequency of 30 is calculated. And means 40 having vibration frequency information corresponding to the vibration frequency.

이 밖에 광검출기(560)는 제 1광(L1)과 제 2광(L2)에 대응하는 전기신호로 변환하는 역할을 하며, 필터(540)는 간섭 패턴을 제외한 배경신호를 제거하여 정확한 진동 주파수를 추출하는 역할을 한다. 그리고 증폭기(550)는 필터(540)에 의해 필터링된 소신호의 전기신호를 증폭한다. 커플러(570)는 더블빔(30) 및 광섬유(520) 끝단에 조사되는 입력광과 반사되는 출력광인 제 1광(L1) 및 제 2광(L2)을 결합시키는 역할을 한다.In addition, the photodetector 560 converts into an electrical signal corresponding to the first light L1 and the second light L2, and the filter 540 removes a background signal except an interference pattern, thereby correcting an accurate vibration frequency. It serves to extract. The amplifier 550 amplifies the small signal electrical signal filtered by the filter 540. The coupler 570 serves to couple the first light L1 and the second light L2, which are the input light irradiated to the ends of the double beam 30 and the optical fiber 520 and the output light reflected.

제어부(60)는 가진수단(40) 중 주파수조절수단(410)에 연결되어 진동 주파수에 동조되는 가진 주파수를 변형된 더블빔(30)의 새로운 공진 주파수로 입력받아 변형전 더블빔(30)의 공진 주파수와 비교하여 외부로부터의 마이크로 힘을 도출하는 역할을 한다. 이러한 제어부(60)는 공진 주파수에 대응하는 외부 힘의 데이터를 기초로 외부 힘을 도출하는 프로그램 입력된 컴퓨터일 수 있다.The controller 60 receives the excitation frequency connected to the frequency adjusting means 410 of the excitation means 40 as a new resonance frequency of the modified double beam 30 to receive the excitation frequency tuned to the vibration frequency. Compared to the resonant frequency, it serves to derive the micro force from the outside. The controller 60 may be a program input computer for deriving an external force based on data of an external force corresponding to the resonance frequency.

<마이크로 힘 센서를 이용한 마이크로 힘 측정방법><Method for Measuring Micro Force Using Micro Force Sensor>

도 3은 본발명인 마이크로 힘센서를 이용하여 외력을 측정하는 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다. 도 3을 참조하면, 우선 프로브(10)가 외부로부터 소정의 힘을 전달받는다(S100).3 is a flowchart sequentially illustrating a method of measuring an external force by using the micro force sensor of the present invention. Referring to FIG. 3, first, the probe 10 receives a predetermined force from the outside (S100).

다음, 지렛대(20)의 일단이 지지수단(110)에 중심축(210)을 두고 프로브(10) 와 연결되어 힘을 전달받는다(S110).Next, one end of the lever 20 is connected to the probe 10 with the central axis 210 on the support means 110 receives the force (S110).

다음, 두 개의 빔이 평행하게 구성되어 제 1공진주파수를 갖는 더블빔(30)이 지렛대(20)의 타단과 지지수단(110) 사이에 고정되어 힘에 의해 변형됨으로써 제 1공진주파수가 변화된다(S120).Next, since the two beams are configured in parallel and the double beam 30 having the first resonant frequency is fixed between the other end of the lever 20 and the support means 110 and deformed by force, the first resonant frequency is changed. (S120).

다음, 가진수단(40)의 전극(420)이 더블빔(30)과의 사이에서 주파수조절수단(410)으로부터 조절된 가진 주파수의 전압을 형성하여 더블빔(30)을 가진시킨다(S130).Next, the electrode 420 of the excitation means 40 forms a voltage of the excitation frequency adjusted from the frequency adjusting means 410 between the double beam 30 to excite the double beam 30 (S130).

다음, 광원부(50)의 광원(510)에서 조사된 소정의 광을 광원(510)과 연결된 광섬유(520)를 통해 더블빔(30)의 표면에 조사한다(S140).Next, the predetermined light irradiated from the light source 510 of the light source unit 50 is irradiated onto the surface of the double beam 30 through the optical fiber 520 connected to the light source 510 (S140).

다음, 주파수비교기(530)가 더블빔(30)의 표면에서 반사된 제 1광(L1)과 광섬유(520)의 끝단에서 반사된 제 2광(L2)의 간섭에 기초하여 더블빔(30)의 진동 주파수를 연산한다(S150).Next, the frequency comparator 530 performs the double beam 30 based on the interference between the first light L1 reflected at the surface of the double beam 30 and the second light L2 reflected at the end of the optical fiber 520. Compute the vibration frequency of (S150).

다음, 가진수단(40)이 가진 주파수를 연산된 진동 주파수에 일치시키기 위해 루프로 형성된 주파수비교기(530)로부터 진동 주파수에 대응하는 진동 주파수 정보를 수신한다(S160).Next, in order to match the frequency of the excitation means 40 to the calculated vibration frequency, vibration frequency information corresponding to the vibration frequency is received from the frequency comparator 530 formed as a loop (S160).

다음, 가진수단(40)이 수신된 진동 주파수 정보에 기초하여 진동 주파수와 일치시키기 위해 가진 주파수를 갱신한다(S170).Next, the excitation means 40 updates the excitation frequency to match the vibration frequency based on the received vibration frequency information (S170).

그리고, 가진 주파수 갱신단계(S170)는 가진수단(40)과 루프로 형성된 주파수 비교기(530)에 의해 가진 주파수가 진동 주파수와 일치할 때까지 계속하여 수행된다(S175).In addition, the excitation frequency update step S170 is continuously performed until the excitation frequency coincides with the vibration frequency by the excitation means 40 and the frequency comparator 530 formed in the loop (S175).

다음, 가진수단(40)과 연결된 제어부(60)가 진동 주파수와 가진 주파수가 일치하는 변경된 제 2공진주파수를 도출하고 제 1공진주파수와 비교하여 힘을 산출함으로써(S180) 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘 측정방법이 수행된다.Next, the control unit 60 connected to the excitation means 40 derives the changed second resonant frequency in which the vibration frequency and the excitation frequency coincide, and calculates the force by comparing with the first resonance frequency (S180). The measurement method is performed.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood that the invention may be practiced. Therefore, the embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all aspects. In addition, the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the detailed description above. Also, it is to be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts are included in the scope of the present invention.

도 1은 본발명에 따른 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도,1 is a schematic view showing the configuration of an embodiment according to the present invention;

도 2는 본발명의 일실시예로서 지렛대(20)와 더블빔(30)이 수신한 외력을 가진수단(40), 광원부(50) 및 제어부(60)를 통해 측정하는 상태를 나타낸 구성도,2 is a configuration diagram showing a state measured through the means 40, the light source unit 50 and the control unit 60 having the external force received by the lever 20 and the double beam 30 as an embodiment of the present invention,

도 3은 본발명인 마이크로 힘센서를 이용하여 외력을 측정하는 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.3 is a flowchart sequentially illustrating a method of measuring an external force by using the micro force sensor of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

L1: 더블빔의 표면에서 반사된 제 1광L1: first light reflected from the surface of the double beam

L2: 광섬유 끝단에서 반사된 제 2광L2: second light reflected from the optical fiber end

10: 프로브10: probe

20: 지렛대20: lever

30: 더블빔30: double beam

40: 가진수단40: excitation means

50: 광원부50: light source

60: 제어부60: control unit

110: 지지수단110: support means

120: 고정구조물120: fixed structure

210: 중심축210: central axis

410: 주파수조절수단410: frequency control means

420: 전극420: electrode

510: 광원510: light source

520: 광섬유520: optical fiber

530: 주파수비교기530: frequency comparator

540: 필터540: filter

550: 증폭기550: amplifier

560: 광검출기560: photodetector

570: 커플러570: coupler

Claims (12)

지지수단(110)에 고정되어 소정의 힘에 반응하는 프로브(10);A probe 10 fixed to the support means 110 to respond to a predetermined force; 상기 지지수단(110)에 중심축(210)을 두고 상기 프로브(10)와 일단이 연결되어 상기 힘을 수신하며 타단이 상기 힘과 반대방향으로 이동하는 지렛대(20);A lever 20 having a central axis 210 on the support means 110, one end of which is connected to the probe 10 to receive the force, and the other end of which moves in the opposite direction to the force; 일단이 상기 지렛대(20)의 타단에 연결되며 타단이 상기 지지수단(110)과 연결되어 상기 힘에 의해 변형됨으로써 제 1공진주파수가 변화되며 두 개의 빔이 평행하게 구성된 더블빔(30);A double beam 30 having one end connected to the other end of the lever 20 and the other end connected to the support means 110 and deformed by the force so that a first resonance frequency is changed and two beams are arranged in parallel; 가진 주파수를 조절하는 주파수조절수단(410)과 상기 주파수조절수단(410)에 의해 상기 더블빔(30)과의 사이에 소정의 전압이 형성되는 전극(420)을 포함하고 상기 전압에 의해 상기 더블빔(30)을 상기 가진 주파수로 가진시키는 가진수단(40);And a frequency adjusting means 410 for adjusting an excitation frequency and an electrode 420 having a predetermined voltage formed between the double beam 30 by the frequency adjusting means 410. Excitation means 40 for exciting the beam 30 at the excitation frequency; 상기 더블빔(30)의 진동 주파수를 측정하기 위해 상기 더블빔(30)의 표면에 소정의 광을 조사하는 광원(510)과 상기 광을 상기 더블빔(30)의 표면에 유도하며 끝단에서 상기 광의 일부를 반사시키는 광섬유(520)와 상기 더블빔(30)의 표면에서 반사된 제 1광(L1)과 상기 광섬유(520)의 끝단에서 반사된 제 2광(L2)의 간섭에 기초하여 상기 더블빔(30)의 진동 주파수를 도출하고 상기 가진 주파수를 상기 진동 주파수와 일치시키기 위해 상기 가진수단(40)과 루프로 형성된 주파수비교기(530)를 포함하는 광원부(50); 및In order to measure the vibration frequency of the double beam 30, the light source 510 irradiating a predetermined light to the surface of the double beam 30 and the light is guided to the surface of the double beam 30 and at the end Based on the interference between the optical fiber 520 reflecting a part of the light and the first light L1 reflected from the surface of the double beam 30 and the second light L2 reflected from the end of the optical fiber 520 A light source unit (50) comprising a frequency comparator (530) formed in a loop with the excitation means (40) to derive the vibration frequency of the double beam (30) and to match the excitation frequency with the vibration frequency; And 상기 진동 주파수와 상기 가진 주파수가 일치되는 제 2공진주파수를 도출하 고 상기 제 1공진주파수와 비교를 통해 상기 힘을 산출하는 제어부(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서.And a control unit 60 for deriving a second resonance frequency in which the vibration frequency and the excitation frequency coincide and calculating the force by comparing with the first resonance frequency. sensor. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 프로브(10)는 수직력을 전달받기 위해 횡방향으로 상기 지지수단(110)과 수 마이크로 두께를 갖는 고정구조물(120)로 고정된 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서.The probe 10 is a micro-force sensor using a tuning fork vibration, characterized in that fixed to the support structure 110 and a microstructure thickness 120 in the transverse direction to receive a vertical force. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 지렛대(20)의 일단과 타단은 나노 스케일의 상기 힘을 측정하기 위해 상기 중심축(210)과의 거리가 소정의 비율로서 정해지는 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서.One end and the other end of the lever 20 is a micro-force sensor using a tuning fork vibration, characterized in that the distance to the central axis 210 is determined as a predetermined ratio in order to measure the force of the nano-scale. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 제어부(60)는 상기 지렛대(20)의 상기 비율에 기초하여 상기 힘을 산출하는 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서.The control unit 60 calculates the force based on the ratio of the lever 20, the micro force sensor using the tuning fork vibration. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 지렛대(20)와 상기 중심축(210)은 상기 힘이 사라질 경우 탄성력에 의해 복원되는 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서.The lever 20 and the central axis 210 is a micro-force sensor using a tuning fork vibration, characterized in that restored by the elastic force when the force disappears. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 프로브(10), 상기 지렛대(20) 및 상기 더블빔(30)은 단결정 실리콘 기판에 패터닝하여 제작되거나 석영의 습식식각 공정 또는 레이저를 이용한 애블레이션으로 제작된 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서.The probe 10, the lever 20, and the double beam 30 are manufactured by patterning a single crystal silicon substrate or by using a wet etching process of quartz or ablation using a laser. Force sensor. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광원(510)은 레이저광인 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서.The light source 510 is a micro force sensor using tuning fork vibration, characterized in that the laser light. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전극(420)과 상기 더블빔(30)과 상기 광섬유(520)는 동일 선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서.The electrode 420, the double beam 30 and the optical fiber 520 is located on the same line micro force sensor using a tuning fork vibration, characterized in that. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광원부(50)는 상기 제 1광(L1)과 상기 제 2광(L2)을 수신하여 그 각각에 대응하는 제 1전기신호와 제 2전기신호를 생성하는 광검출기(560)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서.The light source unit 50 further includes a photo detector 560 which receives the first light L1 and the second light L2 and generates a first electric signal and a second electric signal corresponding to the first light L1 and the second light L2, respectively. Micro force sensor using a tuning fork vibration, characterized in that. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 광원부(50)는 상기 광검출기(560)와 상기 주파수비교기(530) 사이에 연결되어 상기 제 1전기신호 및 상기 제 2전기신호를 필터링하는 필터(540)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서.The light source unit 50 further includes a filter 540 connected between the photodetector 560 and the frequency comparator 530 to filter the first electrical signal and the second electrical signal. Micro force sensor using vibration. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 광원부(50)는 상기 광검출기(560)와 상기 주파수비교기(530) 사이에 연결되어 상기 제 1전기신호 및 상기 제 2전기신호를 증폭하기 위한 증폭기(550)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘센서.The light source unit 50 further includes an amplifier 550 connected between the photodetector 560 and the frequency comparator 530 to amplify the first electrical signal and the second electrical signal. Micro force sensor using tuning fork vibration. 프로브(10)가 외부로부터 소정의 힘을 전달받는 제 1힘수신단계(S100);A first force receiving step (S100) in which the probe 10 receives a predetermined force from the outside; 지렛대(20)의 일단이 지지수단(110)에 중심축(210)을 두고 상기 프로브(10)와 연결되어 상기 힘을 전달받는 제 2힘수신단계(S110);A second force receiving step (S110) having one end of the lever 20 connected to the probe 10 with a central axis 210 at the support means 110 to receive the force; 두 개의 빔이 평행하게 구성되어 제 1공진주파수를 갖는 더블빔(30)이 상기 지렛대(20)의 타단과 상기 지지수단(110) 사이에 고정되어 상기 힘에 의해 변형됨으로써 상기 제 1공진주파수가 변화되는 단계(S120);The two beams are configured in parallel and the double beam 30 having the first resonance frequency is fixed between the other end of the lever 20 and the support means 110 and deformed by the force so that the first resonance frequency is increased. Changing step (S120); 가진수단(40)의 전극(420)이 상기 더블빔(30)과의 사이에서 주파수조절수단(410)으로부터 조절된 가진 주파수의 전압을 형성하여 상기 더블빔(30)을 가진시키는 가진단계(S130);An exciting step (S130) of the electrode 420 of the excitation means 40 to form the voltage of the excitation frequency adjusted from the frequency adjusting means 410 between the double beam 30 and the excitation (S130) ); 광원부(50)의 광원(510)에서 조사된 소정의 광이 상기 광원(510)과 연결된 광섬유(520)를 통해 상기 더블빔(30)의 표면에 조사되는 광조사단계(S140);A light irradiation step (S140) of irradiating a surface of the double beam 30 with a predetermined light irradiated from the light source 510 of the light source unit 50 through an optical fiber 520 connected to the light source 510; 주파수비교기(530)가 상기 더블빔(30)의 표면에서 반사된 제 1광(L1)과 상기 광섬유(520)의 끝단에서 반사된 제 2광(L2)의 간섭에 기초하여 상기 더블빔(30)의 진동 주파수를 연산하는 단계(S150);The frequency comparator 530 is based on the interference between the first light L1 reflected at the surface of the double beam 30 and the second light L2 reflected at the end of the optical fiber 520. Calculating a vibration frequency of step S150; 상기 가진수단(40)이 상기 가진 주파수를 상기 연산된 진동 주파수에 일치시키기 위해 루프로 형성된 주파수비교기(530)로부터 상기 진동 주파수에 대응하는 진동 주파수 정보를 수신하는 단계(S160);Receiving, by the excitation means, vibration frequency information corresponding to the vibration frequency from a frequency comparator 530 formed as a loop to match the excitation frequency with the calculated vibration frequency (S160); 상기 가진수단(40)이 상기 수신된 진동 주파수 정보에 기초하여 상기 진동 주파수와 일치시키기 위해 상기 가진 주파수를 갱신하는 단계(S170); 및Updating (S170) the excitation frequency by the excitation means (40) to match the vibration frequency based on the received vibration frequency information; And 상기 가진수단(40)과 연결된 제어부(60)가 상기 진동 주파수와 상기 가진 주 파수가 일치하는 변경된 제 2공진주파수를 도출하고 상기 제 1공진주파수와 비교하여 상기 힘을 산출하는 단계(S180);를 포함하는 것을 특징으로 하는 소리굽쇠 진동을 이용한 마이크로 힘 측정방법.A control unit 60 connected to the excitation means 40 deriving a modified second resonant frequency in which the vibration frequency and the excitation frequency coincide and calculating the force by comparing with the first resonant frequency (S180); Micro force measurement method using a tuning fork vibration comprising a.
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