마이크로캔틸레버

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 466(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 표면에서 반사된 광자의 복사압에 의해 생성되는 힘인 광자력(PF)을 정량적으로 결정하는 방법을 제시합니다. 우리는 광자력 검출(pfMEMS)에 최적화된 혁신적인 미세전자기계 시스템(MEMS)을 통합한 실험 설정을 제안합니다. 능동형 마이크로캔틸레버가 힘 검출기로 사용되었으며 측정은 전자기력 보상 기능이 있는 폐쇄 루프 설정에서 수행되었습니다. 이전 작업과 달리 이 측정 방법은 PF 상호 작용에 대한 정량적 평가가 아닌 정성적 평가를 제공합니다. 최종 전류 균형 설정은 수십 마이크로와트에서 몇 와트까지의 광원에 적합합니다. 우리 기사에서는 정적 측정에서 30fN의 분해능으로 최대 67.5pN 범위의 PF 상호 작용을 측정한 수행된 실험의 결과를 제시합니다.

나노 규모 현상의 정량적 설명으로 정의되는 나노 계측학은 특정 계측 교정 표준을 추구합니다. 이를 위해 편향 작동 및 편향 감지를 위한 일련의 기술을 사용하여 정밀한 미세 전자 기계 시스템(MEMS)이 구축되고 있습니다1. 나노 계측 장치를 사용하면 거리를 펨토미터4까지 측정하고 힘을 펨토뉴턴5,6(광자력(PF)을 측정할 수 있는 크기 순서)까지 측정할 수 있습니다.

광선에 의해 표면에 유도되는 힘은 19세기에 맥스웰(Maxwell)과 바르톨리(Bartoli)에 의해 전자기파에 대한 이론적 설명에서 예측되었습니다. PF는 19017년 니콜스 복사계가 발명될 때까지 실험에서 입증되지 않았습니다. 이 발표 이후 100년 넘게 비틀림 균형8, 정전기9 및 압전 접근법10을 포함하여 다양한 PF 측정 방법이 만들어졌습니다.

PF 현상을 기반으로 한 응용 프로그램이 많이 있습니다. 가장 잘 알려진 기술은 광학 핀셋11의 미세 입자 조작이며, 광자에 의해 유도되는 힘은 우주 솔루션12의 잠재적 추진력으로 간주됩니다.

오늘날의 기술을 사용하면 pW에서 PW(1015W)까지의 전력 범위에서 광선을 생성할 수 있습니다. 광기계적 현상은 고해상도 및 추적 가능한 계측의 주제입니다. 두 경우 모두 광자 흐름을 사용하여 기계 시스템 및 장치의 변위를 작동시킬 수 있으므로 이는 고에너지와 저에너지에 대해 가장 큰 관심 사항입니다.

나노 규모에서 PF 상호 작용은 매우 높은 힘 분해능으로 구조에 힘을 가할 수 있습니다. PF는 잘 특성화된 방사선 소스를 사용하여 전자적으로 정밀하게 제어될 수 있으며 백액션 설정에서는 더욱 향상될 수 있습니다. 이 경우 PF 작동 장치는 다양한 환경에서 사용될 수 있습니다. 그러나 도량형 솔루션에서는 힘을 보정해야 합니다. 따라서 높은 분해능과 반복성으로 PF 상호 작용을 측정하기 위한 계측 장치를 설계해야 합니다.

역사적 관점에서 전류 균형은 물체의 중력과 전자석의 전자기력 사이의 평형 상태를 결정하는 데 사용되었습니다. 전류저울에서는 이름에서 알 수 있듯이 중력은 전류와 전압의 전기량으로 표현됩니다. 전류 밸런스의 감도는 변위 감지기의 감도에 의해 제한됩니다. 이를 통해 도량형 장치가 생성되고 힘(원래 무게)을 전기량으로 표현할 수 있는 가능성이 생성됩니다. 이 설정에서는 감도가 밸런스의 기계적 특성과 변위 센서의 감도에 의해 결정되므로 매우 미세한 힘도 감지할 수 있습니다.

MEMS는 미세 힘 측정에 자주 사용되는 도구이므로 PF 상호 작용 측정에도 사용되었습니다. 접근법은 마이크로 캔틸레버를 힘-편향 변환기로 사용하는 것을 다루고 편향의 능동적 보상도 도입되었습니다. 그러나 우리가 아는 바로는 PF 측정에 대한 직접적인 힘 보상을 갖춘 MEMS 설정을 도입하는 작업은 없습니다.