微納懸臂梁力學(xué)傳感器彎曲振動(dòng)模式的光學(xué)測(cè)量.pdf

1、微納懸臂梁機(jī)械振子體積小質(zhì)量低是檢測(cè)微小環(huán)境變化的良好傳感器，是包括原子力顯微鏡和磁力顯微鏡在內(nèi)很多掃描探針顯微鏡的核心器件。自從原子力顯微鏡發(fā)明以來，微納懸臂梁機(jī)械振子在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用方面都取得了巨大的進(jìn)展。在磁共振力顯微鏡的研究中，微納懸臂梁也是一個(gè)重要的組成部分，用于跨學(xué)科的研究，如有關(guān)分子吸附和納米機(jī)電系統(tǒng)的生物物理學(xué)。最近的一些發(fā)展表明利用微納懸臂梁彎曲的多個(gè)振動(dòng)模式參與傳感過程，可以獲得更多環(huán)境檢測(cè)能力和靈敏度，如質(zhì)量譜成像

2、和兩維矢量力場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)探測(cè)。其中關(guān)于微納懸臂梁測(cè)量的一個(gè)挑戰(zhàn)是測(cè)量和確定其彎曲振動(dòng)模式。在彎曲振動(dòng)模式的參數(shù)中，振動(dòng)方向，即機(jī)械振子振動(dòng)方向相對(duì)光軸或測(cè)量方向的角度，是影響整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)后續(xù)分析的重要因素之一。矢量力顯微是一種特別適合表征樣品形貌以及微小探針-樣品間力信號(hào)的普適技術(shù)，通過監(jiān)測(cè)在掃描樣品表面時(shí)振動(dòng)模式的頻率改變和振動(dòng)方向可以得到二維矢量力場(chǎng)圖以此提供更多的信息。針對(duì)研制的微透鏡光纖干涉儀，分析了微納懸臂梁機(jī)械振子光學(xué)測(cè)量中光干

3、涉和光散射兩種物理效應(yīng)。研究分為以下三個(gè)部分:
　　1.發(fā)現(xiàn)，結(jié)合光在光纖端面和懸臂梁上兩個(gè)反射所形成干涉效應(yīng)和光在微納懸臂梁上的背向散射效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微納懸臂梁在聚焦光平面內(nèi)和聚焦光平面外的位移測(cè)量。特別的，對(duì)于微納懸臂梁聚焦光平面內(nèi)的位移測(cè)量，研制的微透鏡光纖干涉儀與傳統(tǒng)的光散射儀器相比，不需要四象限光電探測(cè)器，極大的降低了光路復(fù)雜性，需要準(zhǔn)直的光學(xué)器件由3個(gè)降為2個(gè)，便于其應(yīng)用于極低溫系統(tǒng)中。
　　2.理論分析了使用

4、微透鏡光纖干涉儀測(cè)量機(jī)械振子任意方向振動(dòng)最佳工作點(diǎn)的優(yōu)化，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量沿不同方向振動(dòng)的懸臂梁，證實(shí)了我們的分析?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，測(cè)量了兩個(gè)微米線懸臂梁的熱振動(dòng)，分析其振動(dòng)方向。我們的研究結(jié)果為機(jī)械振子彎曲振動(dòng)模式提供了新的實(shí)驗(yàn)研究手段，為其在矢量力測(cè)量中的應(yīng)用夯實(shí)了基礎(chǔ)。
　　3.提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)確定微納懸臂梁彎曲振動(dòng)模式振動(dòng)方向的方法。該方法不需要對(duì)微納懸臂梁有先驗(yàn)知識(shí)，也不需要同時(shí)測(cè)量一對(duì)近簡(jiǎn)并的彎曲振動(dòng)模式。利用我們的微透