一种基于微悬臂梁的电流天平的光子力测量MEMS装置

据麦姆斯咨询报道，近日，波兰弗罗茨瓦夫理工大学（Wrocław University of Science and Technology）和波兰乌卡西耶威切研究网络（Łukasiewicz Research Network）的研究人员组成的团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Microcantilever-based current balance for precise measurement of the photon force”的论文，首次提出了一种基于微悬臂梁的电流天平的光子力（PF）测量MEMS（pfMEMS）装置。本文提出的测量方法提供了对光子力相互作用的定量而非定性评估。在静态测量中，研究团队测量了高达67.5pN范围内的光子力相互作用，分辨率为30fN。

图1 测量光子力的实验装置：（a）具有电信号和光信号的实验装置示意图；（b）实验装置的光学部分

纳米计量学被定义为对纳米尺度现象的定量描述，需要寻求特定的计量校准标准。为此，研究人员正在利用一系列的挠度驱动和挠度检测技术来构建精确的微机电系统（MEMS）。随着纳米计量器件的使用，人们有可能测量低至飞米（fm）的距离和低至飞牛顿（fN）的力——在这个数量级上光子力是可测量的。

19世纪，Maxwell和Bartoli在电磁波的理论描述中预言了光束在表面诱发的力。直到1901年Nichols辐射计的发明，光子力才在实验中得到证实。自此，一个多世纪以来，人们提出了不同的光子力测量方法，包括扭力天平、静电和压电方法等。

人们开发了许多基于光子力现象的应用。其中，最知名的技术是在光镊中操纵微粒，光子诱发的力也被认为是空间解决方案中的潜在推动力。

当今的技术使得产生功率从pW到PW（10¹⁵W）的光束成为可能。光机械现象是高分辨率和可溯源计量学的研究对象。人们对于高能量和低能量最感兴趣，因为在这两种情况下，光子流可以用于驱动机械系统和器件的位移。

在纳米尺度上，光子力相互作用能够以极高的分辨率对结构施加力。光子力可以利用特性良好的辐射源进行精确地电子控制，甚至在反作用设置中的效果更好。在这种情况下，光子力致动器件可应用于各种环境。然而，在计量解决方案中，必须对力进行校准。因此，需要设计具有高分辨率和可重复性测量光子力相互作用的计量装置。

从历史的角度来看，电流天平被用于确定物体的重力和电磁铁的电磁力之间的平衡状态。在电流天平中，顾名思义，重力是由电流和电压的电量表示的。电流天平的灵敏度受限于位移检测器的灵敏度。这就形成了一种计量装置，并有可能用电量表示力。在这种设置中，人们甚至可以检测到非常细微的力，因为灵敏度是由天平的机械特性和位移传感器的灵敏度决定的。

MEMS是测量微小力的常用工具，因此它们也被用于光子力相互作用的测量。使用微悬臂梁作为力-挠度换能器和挠度的有源补偿方法已经被报道。然而，具有直接力补偿的MEMS设置的光子力测量方法还未见报道。

利用宏观耦合反射镜设置，人们提出了测量光子力的电流天平方法。这些设置中的分辨率受到设置尺寸的限制，并且不超过20nN的下限。因此，力补偿器件的微型化可能会改善可检测力的范围。

在本文中，作者们首次提出了一种基于微悬臂梁的电流天平的光子力计量MEMS（pfMEMS）装置。该系统的核心是一根硅微悬臂梁，其U形“腿”是体积导电的。此外，它集成了一个微镜，所分析的光子束聚焦在该微镜上。微悬臂梁挠度的检测是利用作为零点指示器的光束检测器（OBD）完成的。微悬臂梁浸没在磁场中，因此，当通过U形“腿”的电流被控制时，就有可能补偿光子力相互作用。有源微悬臂梁被用作力探测器，光子力测量是在具有电磁力补偿的闭环设置中进行的。

与研究团队之前的研究工作相反，本文提出的测量方法提供了对光子力相互作用的定量而非定性评估。最终的电流天平设置适用于几十微瓦（μW）到几瓦（W）的光源。文中给出了所进行的实验的结果，在静态测量中，他们测量了高达67.5pN范围内的光子力相互作用，分辨率为30fN。

图2 用于光子力研究的热增强pfMEMS微悬臂梁的扫描电镜图

审核编辑：刘清