力测量装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010263728.9 (22)申请日 2020.04.07 (71)申请人 中国科学院合肥物质科学研究院 地址 230031 安徽省合肥市蜀山湖路350号 (72)发明人 王宁徐峰薛飞 (74)专利代理机构 北京尚诚知识产权代理有限 公司 11322 代理人 龙淳李巍 (51)Int.Cl. G01L 1/24(2006.01) G01L 5/00(2006.01) (54)发明名称 力测量装置 (57)摘要 本发明提供一种基于超低弹性系数悬臂梁 的力测量装置， 在大范围。

2、变温过程也能够维持极 高的力测量灵敏度。 本发明的力测量装置将被测 样品配置在悬臂梁的自由端， 利用激光干涉测距 法测量外界磁场下悬臂梁的自由端的位移， 其包 括支承框架、 光学系统和悬臂梁机构， 光学系统 沿z方向设置于支承框架且能够相对于支承框架 在z方向调节上下位置， 悬臂梁机构在光学系统 的z方向正下方由支承框架支承， 在沿z方向观察 支承框架、 光学系统和悬臂梁机构时， 光学系统 中的光纤位于支承框架沿z方向观察时的形状的 几何正中心。 权利要求书2页 说明书8页 附图6页 CN 111413015 A 2020.07.14 CN 111413015 A 1.一种力测量装置， 将被测。

3、样品配置在悬臂梁的自由端， 利用激光干涉测距法测量外 界磁场下所述悬臂梁的自由端的位移， 其特征在于： 包括支承框架、 光学系统和悬臂梁机构， 所述光学系统包括沿z方向延伸的镜筒、 安装在所述镜筒内的沿z方向延伸的光纤准直 套管、 在所述镜筒内穿过所述光纤准直套管沿z方向延伸的光纤和用于使从所述光纤出射 的激光聚焦到所述悬臂梁的自由端的会聚透镜， 所述光纤由固定组件固定于所述镜筒， 所述悬臂梁机构包括所述悬臂梁和用于驱动所述悬臂梁振动的驱动部件， 所述光学系统沿z方向设置于所述支承框架且能够相对于所述支承框架在z方向调节 上下位置， 所述悬臂梁机构在所述光学系统的z方向正下方由所述支承框架支承。

4、， 在沿z方向观察所述支承框架、 所述光学系统和所述悬臂梁机构时， 所述光学系统中的 所述光纤位于所述支承框架沿z方向观察时的形状的几何正中心。 2.如权利要求1所述的力测量装置， 其特征在于： 所述固定组件是由树脂形成的第一固定部件， 在所述镜筒的靠z方向上方的位置利用 所述第一固定部件将所述光纤固定于所述镜筒。 3.如权利要求1所述的力测量装置， 其特征在于： 所述固定组件包括沿z方向延伸的光纤固定管和由树脂形成第二固定部件与第三固定 部件， 所述光纤固定管在所述镜筒内设置于所述光纤准直套管的z方向上方， 所述光纤从所 述光纤固定管中穿过， 在所述光纤固定管的位于所述光纤准直套管一侧的端部。

5、， 通过所述第二固定部件将所 述光纤固定于所述光纤固定管， 在所述光纤固定管的与所述光纤准直套管相反的一侧的端部， 通过所述第三固定部件 将所述光纤固定管固定于所述镜筒。 4.如权利要求3所述的力测量装置， 其特征在于： 在温度发生变化时， 所述光纤固定管发生形变使得所述光纤的z方向下端面与所述会 聚透镜之间的距离的变化方向， 与所述会聚透镜与所述悬臂梁的z方向上的距离的变化方 向相反。 5.如权利要求4所述的力测量装置， 其特征在于： 选择所述光纤固定管的长度和材料， 使得即使温度发生变化， 从所述光纤的z方向下端 面出射的激光经所述会聚透镜会聚的焦点在z方向也始终位于所述悬臂梁的自由端。 。

6、6.如权利要求35中任一项所述的力测量装置， 其特征在于： 所述光纤固定管的材料的热膨胀系数小于所述镜筒的材料的热膨胀系数。 7.如权利要求35中任一项所述的力测量装置， 其特征在于： 所述光纤固定管由铝构成， 所述镜筒由钛构成。 8.如权利要求15中任一项所述的力测量装置， 其特征在于： 所述驱动部件由压电陶瓷和蓝宝石片组成， 两片蓝宝石片夹着一片压电陶瓷组成三明 治结构。 9.如权利要求8所述的力测量装置， 其特征在于： 所述悬臂梁的固定端由夹持部件按压在所述驱动部件的表面的蓝宝石片上。 10.如权利要求9所述的力测量装置， 其特征在于： 权利要求书 1/2 页 2 CN 11141301。

7、5 A 2 所述夹持部件是铍铜弹性压片。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111413015 A 3 力测量装置 技术领域 0001 本发明属于超灵敏力测量研究领域， 尤其涉及一种基于超低弹性系数悬臂梁的力 测量装置。 背景技术 0002 灵敏力探测已经成为研究物理现象的重要手段， 在例如卡西米尔力的测量、 磁共 振力显微镜以及磁性材料的磁扭矩测量等方面有着重要的应用。 0003 以磁扭矩测量为例， 它一直是研究材料磁各向异性的重要手段。 为测量磁扭矩已 知一种测量装置， 使用低弹性系数的悬臂梁， 将磁性材料样品固定于悬臂梁的自由端， 施加 外部磁场使样品受到扭矩， 悬臂梁因扭矩作用偏离平衡。

8、位置， 通过测量悬臂梁自由端的位 移来测量材料磁性。 这里， 若利用激光干涉测距法测量超低弹性系数(约为1mN/m左右)的悬 臂梁的位移， 可使磁扭矩测量磁性材料的灵敏度达到10-14emu。 应用该方法可以测量纳米尺 度样品的磁性质， 比如纳米颗粒、 纳米线、 纳米片等。 0004 在基于悬臂梁的力测量装置中， 利用微纳米悬臂梁具有超低弹性系数来进行灵敏 的力测量。 为了提高力测量的灵敏度， 悬臂梁的弹性系数应尽量低， 而且测量悬臂梁位移的 方法也应极其灵敏， 一般选用上述激光干涉测距法来测量悬臂梁自由端的位移和振动。 超 低弹性系数的悬臂梁的尺寸非常小， 设置在悬臂梁的自由端的供激光干涉测。

9、距使用的光反 射面虽具有比悬臂梁主体大的尺寸， 但面积一般也在40 m40 m以内， 而激光对焦的焦点 必须准确地聚焦于光反射面上(下文有时也称对焦在悬臂梁上)， 才能进行悬臂梁位移和振 动的测量并获得相当理想的测量灵敏度。 这意味着， 在这种基于悬臂梁的力测量装置中， 对 于激光在悬臂梁上的对准和对焦有着相当高的精度要求。 0005 目前已报道的灵敏力测量装置通常采用压电马达驱动的纳米位移台来进行激光 在悬臂梁上的对准和对焦。 例如图1表示了一种目前典型的力测量装置， 其中(A)是装置的 照片， (B)是工程示意图， (A)、 (B)各图的右侧表示的是左侧图中的悬臂梁附近部分的放大 图(观察。

10、方向稍有调整)。 如图所示， 悬臂梁夹持部件和纳米位移台均安置在一个钛质框架 上， 出射激光的光纤的镜筒固定在位于纳米位移台上的适配件上， 三个纳米位移台分别控 制光纤镜筒在xyz方向的移动。 激光通过安装在镜筒上的微透镜聚焦， 焦点对准在位于微透 镜正前方的悬臂梁的光反射面上。 在进行力测量时需要对悬臂梁进行共振驱动或者扫频测 量， 所以悬臂梁需要相应的驱动装置， 目前一般采用的是压电陶瓷机械驱动悬臂梁振动的 方式。 因此， 悬臂梁被夹持部件夹持在该驱动装置上， 而驱动装置固定在钛框架上。 发明内容 0006 发明要解决的技术问题 0007 从图1可以看出， 现有的基于悬臂梁和激光干涉测距法。

11、的力测量装置由于采用了 纳米位移台， 因此整个装置体积巨大， 在研究材料科学进行磁扭矩测量时， 需要定制大口径 磁体， 不仅耗费金钱， 实验操作流程也相应变得繁琐。 说明书 1/8 页 4 CN 111413015 A 4 0008 而且， 磁性材料特性的研究表征方法中十分重要的是进行变温测量。 然而， 在上述 现有的基于悬臂梁和激光干涉测距法的力测量装置中， 由于纳米位移台的存在， 装置结构 变得复杂， 这样复杂的结构使得在大范围变温时， 各个部件的热胀冷缩累加起来， 必然导致 已对焦的激光焦点发生偏移。 而激光焦点一旦偏离悬臂梁反射面， 将无法完成变温测量。 因 此， 现有的力测量装置无法。

12、连续完成大范围变温(4K-300K)测量。 0009 解决问题的技术方案 0010 本发明提出了一种基于超低弹性系数悬臂梁和激光干涉测距法的力测量装置， 相 较于目前通常的力测量装置， 结构简单、 小巧， 可用于商业小口径磁体， 而且在不损失灵敏 度的前提下， 能保证在300K到4K的温度变化区间内进行连续的测量。 0011 具体而言， 本发明提供一种力测量装置， 将被测样品配置在悬臂梁的自由端， 利用 激光干涉测距法测量外界磁场下所述悬臂梁的自由端的位移， 其包括支承框架、 光学系统 和悬臂梁机构， 所述光学系统包括沿z方向延伸的镜筒、 安装在所述镜筒内的沿z方向延伸 的光纤准直套管、 在所。

13、述镜筒内穿过所述光纤准直套管沿z方向延伸的光纤和用于使从所 述光纤出射的激光聚焦到所述悬臂梁的自由端的会聚透镜， 所述光纤由固定组件固定于所 述镜筒， 所述悬臂梁机构包括所述悬臂梁和用于驱动所述悬臂梁振动的驱动部件， 所述光 学系统沿z方向设置于所述支承框架且能够相对于所述支承框架在z方向调节上下位置， 所 述悬臂梁机构在所述光学系统的z方向正下方由所述支承框架支承， 在沿z方向观察所述支 承框架、 所述光学系统和所述悬臂梁机构时， 所述光学系统中的所述光纤位于所述支承框 架沿z方向观察时的形状的几何正中心。 0012 在本发明的力测量装置中， 所述固定组件是由树脂形成的第一固定部件， 在所述。

14、 镜筒的靠z方向上方的位置利用所述第一固定部件将所述光纤固定于所述镜筒。 0013 在本发明的力测量装置中， 所述固定组件包括沿z方向延伸的光纤固定管和由树 脂形成第二固定部件与第三固定部件， 所述光纤固定管在所述镜筒内设置于所述光纤准直 套管的z方向上方， 所述光纤从所述光纤固定管中穿过， 在所述光纤固定管的位于所述光纤 准直套管一侧的端部， 通过所述第二固定部件将所述光纤固定于所述光纤固定管， 在所述 光纤固定管的与所述光纤准直套管相反的一侧的端部， 通过所述第三固定部件将所述光纤 固定管固定于所述镜筒。 0014 在本发明的力测量装置中， 在温度发生变化时， 所述光纤固定管发生形变使得所。

15、 述光纤的z方向下端面与所述会聚透镜之间的距离的变化方向， 与所述会聚透镜与所述悬 臂梁的z方向上的距离的变化方向相反。 0015 在本发明的力测量装置中， 选择所述光纤固定管的长度和材料， 使得即使温度发 生变化， 从所述光纤的z方向下端面出射的激光经所述会聚透镜会聚的焦点在z方向也始终 位于所述悬臂梁的自由端。 0016 在本发明的力测量装置中， 所述光纤固定管的材料的热膨胀系数小于所述镜筒的 材料的热膨胀系数。 0017 在本发明的力测量装置中， 所述光纤固定管由铝构成， 所述镜筒由钛构成。 0018 在本发明的力测量装置中， 所述驱动部件由压电陶瓷和蓝宝石片组成， 两片蓝宝 石片夹着一。

16、片压电陶瓷组成三明治结构。 0019 在本发明的力测量装置中， 所述悬臂梁的固定端由夹持部件按压在所述驱动部件 说明书 2/8 页 5 CN 111413015 A 5 的表面的蓝宝石片上。 0020 在本发明的力测量装置中， 所述夹持部件是铍铜弹性压片。 0021 发明效果 0022 采用本发明的力测量装置， 相较于目前通常的力测量装置， 结构简单、 小巧， 能够 大幅简化操作， 并可用于商业小口径磁体， 而且在不损失灵敏度的前提下， 能保证在300K到 4K的温度变化区间内进行连续的测量。 附图说明 0023 图1表示了一种目前典型的力测量装置， 其中(A)是装置照片， (B)是工程示意图。

17、， (A)、 (B)各图的右侧表示的是左侧图中的悬臂梁附近部分的放大图。 0024 图2表示沿y方向观察本发明第一实施方式的力测量装置101的示意侧视图。 0025 图3是沿图2的z方向观察本发明第一实施方式的力测量装置101的平面示意图。 0026 图4是图2所示的本发明第一实施方式的力测量装置101在变温过程中的测试结 果。 0027 图5是表示沿y方向观察本发明第二实施方式的力测量装置201的示意侧视图。 0028 图6是对变温时激光的焦点相对于悬臂梁的光反射面发生的偏移进行数值模拟得 到的结果。 0029 图7是图5所示的本发明第二实施方式的力测量装置201在变温过程中的测试结 果。 。

18、0030 图8是实施例使用的悬臂梁的示意照片(自由端， 已配置样品)。 0031 图9是实施例1的实验结果。 0032 图10是实施例2的实验结果。 具体实施方式 0033 下面结合附图， 对本发明的具体实施方式进行说明。 0034 以下实施方式中， 在提及要素的数字等(包括个数、 数值、 量、 范围等)的情况下， 除 了特别明确说明的情况和从原理上明显限定为特定数字的情况之外， 并不限定于该特定数 字， 可为特定数字以上或以下。 0035 另外， 在以下的实施方式中， 其结构要素(包括步骤要素等)除了特别明确说明的 情况和从原理上明显理解为是必须的情况之外， 都不一定是必须的， 并且也可以包。

19、括说明 书中未明确提及的要素， 这无需明言。 0036 同样地， 在以下的实施方式中， 在提及结构要素等的材料、 形状、 位置关系等时， 除 了特别明确说明的情况和从原理上明显地理解为并不可行的情况之外， 包括实质上与其形 状等近似或类似的要素。 这对于上述数值和范围也同样。 0037 此外， 附图中表示的均为示例， 其中的各部件的相对大小关系、 各部件的组成部分 的比例关系不受图中示例限定。 部分图中标注了以铅垂方向为z轴， 以垂直于z轴的面上的 两个正交的轴为x、 y轴的正交坐标系， 但这只是为了便于说明而标注的， 除了原理上不可能 的情况之外， z轴可以处于任意方向， 同时x、 y轴的方。

20、向也将相应变化。 0038 下面说明本发明的实施方式的力测量装置。 说明书 3/8 页 6 CN 111413015 A 6 0039 (第一实施方式) 0040 如图1所述， 现有的基于悬臂梁和激光干涉测距法的力测量装置由于采用了纳米 位移台， 因此装置体积巨大、 操作流程繁琐， 并且无法连续完成大范围变温(4K-300K)测量。 0041 对此， 本发明的力测量装置不使用纳米位移台而是采用了对称的、 紧凑简单的结 构。 图2表示沿y方向观察本发明第一实施方式的力测量装置101的示意侧视图， 这里仅表示 了悬臂梁机构附近的涉及本发明改进点的部分， 其他如图1所示的钛框架及其以外的部分， 例如。

21、干涉光探测部分等可采用与现有技术相同的结构， 在此不予赘述。 0042 如图2所示， 本发明第一实施方式的力测量装置101主要包括支承框架102、 光学系 统103和悬臂梁机构104。 支承框架102的主体由例如钛材料制成， 但不限定于此， 可以选用 其他的热膨胀系数较小的材料， 例如可以是无磁316L不锈钢、 铝和无氧铜等。 支承框架102 的截面整体具有类 “L” 字的形状， 包括侧支承面115和底支承面116。 为便于旋转， 本实施方 式的支承框架102采用了大于180度的弧形形状， 光学系统103沿z方向自圆弧的顶部安装于 侧支承面115， 悬臂梁机构104安装在圆弧底部的底支承面11。

22、6。 需要说明的是， 支承框架102 的截面形状并不限于图示形状， 也不限于类 “L” 字的形状， 只要能够将光学系统103安装成 沿z方向延伸， 并将悬臂梁机构104安装在光学系统103的下方与其相对即可。 在图2中， z方 向表示为图中的上下方向， 但如上所述， 在本说明书中z方向不限于上下方向， 可为任意合 适的方向。 0043 光学系统103包括镜筒105、 光纤106、 光纤准直套管107和微透镜108。 镜筒105呈沿 z方向延伸的筒状结构， 优选与支承框架102由相同的例如钛材料构成， 光纤准直套管107呈 沿z方向延伸的筒状结构， 优选由陶瓷制成， 其中形成有供光纤106穿过的。

23、、 对光纤进行定位 的准直孔， 光纤106与光纤准直套管107之间不实施固定， 使得在例如因温变而发生了形变 的情况下， 光纤106可沿z方向在光纤准直套管107的准直孔中移动。 另外， 镜筒105和光纤准 直套管107的材料不限于上述材料， 可采用本领域技术人员熟知的各种材料。 0044 光纤准直套管107设置在镜筒105内， 通过公知的固定方法固定于镜筒105， 本实施 方式中采用树脂进行固定(未图示)。 微透镜108设置在镜筒105靠z方向下方(下文简称 “下 方” )的端部， 同样通过公知的固定方法固定于镜筒105。 光纤106在镜筒105中穿过光纤准直 套管107， 配置成下端面正好。

24、位于微透镜108的2倍焦距处， 使得从光纤106的下端面出射的 光经微透镜108在另一侧会聚于2倍焦距处。 在镜筒105的靠z方向上方(下文简称 “上方” )的 位置， 利用由例如环氧树脂构成的第一固定部120将光纤106固定于镜筒105内。 镜筒105相 对于支承框架102可调节位置上下移动， 利用调节机构(未图示)调节二者在上下方向的相 对位置， 使从光纤106出射并经微透镜108会聚的焦点落在下方的悬臂梁109的光反射面上。 0045 悬臂梁机构104位于镜筒105的z方向正下方， 包括悬臂梁109和驱动部件110。 驱动 部件110由一片压电陶瓷111和两片蓝宝石片112、 113构成。

25、三明治结构。 通过未图示的供电 单元对驱动部件110施加电压使其振动， 对悬臂梁109进行共振驱动等。 悬臂梁109被夹持部 件114夹持在驱动部件110表面的蓝宝石片112上。 如上所述， 从光纤106的下端面经微透镜 108出射的激光(信号光)聚焦在悬臂梁109的自由端， 激光在自由端的光反射面(未图示)上 反射后返回光纤106， 之后与参考光干涉形成干涉光， 对干涉光进行探测来检测悬臂梁109 自由端的位移。 这里， 夹持部件114例如可以是铍铜弹性压片， 利用螺栓紧固铍铜弹性压片， 来将悬臂梁109的固定端按压在蓝宝石片112上。 图3是沿图2的z方向观察本发明第一实施 说明书 4/8。

26、 页 7 CN 111413015 A 7 方式的力测量装置101的平面图。 在本发明中， 光纤的镜筒105与支承框架102被配置成使得 光纤106(或其延长线)通过沿z方向俯视(即， 投影到x-y平面)时的支承框架102的几何中 心。 在图3中， 支承框架102的x-y平面投影形状为矩形， 光纤106在x-y平面上投影为一个点， 正好位于矩形形状的正中心。 从而， 在x-y平面上， 激光在悬臂梁109的反射面上聚焦的位置 位于整个框架结构的几何正中心。 由于形成对称的结构， 热胀冷缩引起的变形在x-y平面上 也是对称的， 因此即使因温变引起各部分的热胀冷缩， 热胀冷缩前的几何正中心在热胀冷 。

27、缩后仍然是中心。 并且， 结构上的简化也有助于减小形变的误差， 所以基于此结构， 激光在x 和y方向上的对准受大范围变温的影响非常微弱。 这一点可以在后述的实施例中得到印证。 0046 另外， 在本实施方式中， 支承框架102的x-y平面投影形状为矩形， 但并不限定于 此， 只要是规则的具有几何中心的形状即可， 也可以是其他形状。 0047 不过， 在z方向上， 如图2所示， 光纤106的下端面、 微透镜108与悬臂梁109的光反射 面都存在一定的距离， 在发生变温时， 材料发生形变， 激光在悬臂梁109的光反射面上的焦 点会产生z方向的位移， 导致对焦变得不再精确， 测量灵敏度在变温过程中会。

28、发生降低。 0048 图4是图2所示的本发明第一实施方式的力测量装置101在变温过程中的测试结 果， 其中使用的悬臂梁109的光反射面的尺寸为40 m40 m。 图中横轴表示温度， 纵轴表示 干涉信号强度， 曲线表示了干涉信号强度随温度变化而发生的变化。 实验条件使用图2所示 的第一实施方式的力测量装置101， 在室温时将激光对准悬臂梁自由端调节至对焦， 使干涉 信号最大。 从300K开始降温， 随着温度降低， 干涉信号逐渐减小， 至50K左右已无法完成相应 测量。 0049 不过， 如上所述， 由于镜筒105相对于支承框架102可通过调节机构调节z方向的相 对位置， 因此可以利用该调节机构重。

29、新进行z方向的对准。 0050 从而， 第一实施方式的力测量装置101虽无法在大范围变温过程中维持高灵敏度 连续进行测量， 但由于无需进行x、 y方向的重新对准而仅需要进行z方向的重新对准， 因此 能够无需像图1所示的现有技术那样设置3个方向的位移台而仅设置z方向的调节机构， 能 够减小装置尺寸和部件数量， 减小累加的热胀冷缩， 减轻操作负担。 0051 (第二实施方式) 0052 接着说明本发明第二实施方式的力测量装置201。 0053 如图2所示， 在第一实施方式的力测量装置101中， 光学系统103的镜筒105内设置 有光纤106、 光纤准直管107和微透镜108， 发明人发现在这样的结。

30、构下， 进行变温测试时焦 点并不会在x、 y方向发生较大偏移， 但是z方向引起的焦点的移动会导致测量无法连续维持 高灵敏度。 0054 针对这一点， 发明人细致研究了导致焦点偏移的因素， 发现实际存在两方面原因。 以降温为例， 一方面由材料的热性质直接引起， 悬臂梁自由端上的焦点在装置冷却时， 由于 材料收缩， 导致焦点相对于悬臂梁向-z方向移动(升温时相反)。 另一方面， 变温引起凸透镜 物距和像距也会变化， 这是因为， 光纤的材料是石英玻璃， 它的热膨胀系数远小于构成镜筒 的钛以及其他金属材料， 因此在降温时， 光纤下端面相对微透镜的距离变小(升温时相反)， 根据凸透镜的成像原理， 物距减。

31、小像距增大， 焦点同样也会向-z方向移动。 这两点因素共同 作用， 降温时导致焦点相对于悬臂梁向-z方向移动， 这与图4中的变温测试结果相符合。 0055 第二实施方式的力测量装置201针对第一实施方式的力测量装置101进一步做出 说明书 5/8 页 8 CN 111413015 A 8 了重新设计和优化。 图5是表示沿y方向观察本发明第二实施方式的力测量装置201的示意 侧视图， 其中与第一实施方式的力测量装置101相同的部分标注了相同的标记并省略说明。 0056 如图5所示， 第二实施方式的力测量装置201与第一实施方式的不同之处在于使用 了光学系统203代替光学系统103。 光学系统20。

32、3除光学系统103的镜筒105、 光纤106、 光纤准 直套管107和微透镜108之外， 还包括光纤固定管201。 0057 光纤固定管201在镜筒105中位于光纤准直套管107的与微透镜108相反的一侧， 呈 沿z方向延伸的筒状供光纤穿过， 由热膨胀系数大于镜筒105的材料构成， 例如在镜筒105由 钛制成的情况下优选由铝制成。 光纤106从光纤固定管201中穿过， 在光纤固定管201的靠微 透镜108一侧的端部， 利用例如由环氧树脂构成的第二固定部220将光纤106固定于光纤固 定管201。 光纤固定管201的远离微透镜108的一端利用例如由环氧树脂构成的第三固定部 221与镜筒105固定。

33、。 这里需要注意的是， 第三固定部221并不固定光纤106。 0058 于是， 第二实施方式与第一实施方式的区别可表述为， 二者使用了不同的固定组 件来将光纤106固定于镜筒105。 在第一实施方式的情况下， 光纤106由环氧树脂构成的第一 固定部120直接固定于镜筒105， 即， 可认为第一实施方式中的第一固定部120相当于固定组 件； 而在第二实施方式中， 光纤106经光纤固定管201固定于镜筒105， 其中光纤106由环氧树 脂构成的第二固定部220固定于光纤固定管201的下端， 而光纤固定管201的上端由环氧树 脂构成的第三固定部221固定于镜筒105， 即， 可认为第二实施方式中的第。

34、二固定部220、 光 纤固定管201以及第三固定部221共同构成了固定组件。 0059 在第二实施方式中， 光纤固定管201的材料(例如铝)的热膨胀系数大于镜筒105的 材料(例如钛)， 因此通过设计光纤固定管201的长度， 在发生变温例如降温时， 能够使光纤 固定管201的收缩量比镜筒105大， 光纤下端面与微透镜108的距离向增大的方向变化， 根据 凸透镜的成像原理， 焦点会向+z方向移动。 于是， 在上述导致焦点偏移的两个因素之中， 第 二个因素带来的焦点偏移(后述l)的方向变为+z， 与第一个因素带来的焦点偏移(后述 h)的方向-z相反， 二者的影响可相互抵消。 0060 即， 选取光。

35、纤固定管201的材料和长度， 使得光纤106的下端面与微透镜108之间的 距离随温变而发生变化的方向， 与微透镜108与悬臂梁109的光反射面之间的距离随温变而 发生变化的方向相反， 从而， 能够将悬臂梁上激光的焦点在变温过程中发生的z方向的偏移 控制在不产生影响的范围。 具体计算如下。 0061 下式(1)表示微透镜108和悬臂梁109的光反射面之间的距离随温变而发生的变化 h， 表示上述第一个因素带来的焦点偏移。 0062 h( Tl-T- pl-p- sl-s)T (1) 0063 其中， T、 p、 s分别表示钛、 压电陶瓷和蓝宝石片的热膨胀系数， T是温度变化 量。 l-T、 l-p。

36、、 l-s分别表示钛材料、 压电陶瓷和蓝宝石片的对应在微透镜108的-z方向一侧的 沿z方向的长度。 具体而言， l-T是支承框架102的位于微透镜108下方、 且处于底支承面116上 方的z方向上的长度， l-p是压电陶瓷111的z方向厚度， l-s是蓝宝石片112、 113的z方向厚度 之和。 0064 下式(2)是微透镜108的成像公式， 式中用l表示上述第二个因素带来的焦点偏 移。 说明书 6/8 页 9 CN 111413015 A 9 0065 0066 其中， f是微透镜108的焦距， l是激光在微透镜108的悬臂梁109一侧的焦点距离 随温变而发生的变化， T、 A分别表示钛和。

37、铝的热膨胀系数。 l+T、 l+A分别表示钛材料和铝材 料的对应在微透镜108的+z方向一侧的沿z方向的长度。 具体而言， l+T是镜筒105的位于微透 镜108上方的z方向上的长度， 可近似为镜筒105的长度， l+A是光纤固定管201的长度。 0067 基于上式(1)、 (2)可知， l+h表示焦点相对于悬臂梁109的光反射面在z方向上 的偏移， 是上述第一因素和第二因素带来的影响的总和。 于是， 将光纤固定管201的长度l+A 取合适的值， 变温时焦点的位移l可以与h相互抵消(即， l+h0)， 使得变温过程中 焦点始终在最佳焦距附近很窄的范围内变化， 从而在大范围变温过程中也不对灵敏度。

38、造成 影响。 0068 图6是对变温时激光的焦点相对于悬臂梁的光反射面发生的偏移进行数值模拟得 到的结果。 其中选取光纤固定管201的长度l+A的长度为5mm， 可以看到焦点的偏移小于30纳 米， 可认为不会对灵敏度造成影响。 0069 图7是图5所示的本发明第二实施方式的力测量装置201在变温过程中的测试结 果， 其中使用的悬臂梁109的光反射面的尺寸为40 m40 m。 图中横轴表示温度， 纵轴表示 干涉信号强度， 曲线表示了干涉信号强度随温度变化而发生的变化。 实验条件使用图5所示 的第二实施方式的力测量装置201， 在室温时将激光对准悬臂梁自由端调节至对焦， 使干涉 信号最大。 从30。

39、0K开始降温， 随着温度降低， 可观察到干涉信号相对最佳信号强度并未有明 显减小， 变温全程都可以保持很高的灵敏度。 0070 采用上述第二实施方式的力测量装置201， 通过在镜筒中使用光纤固定管来将光 纤经该固定管固定于镜筒， 能够使因材料的热性质直接引起的焦点偏移与因透镜的物距、 像距变化产生的焦点偏移的方向相反从而相互抵消。 于是， 除了与第一实施方式同样地能 够减小装置尺寸和部件数量， 减小累加的热胀冷缩之外， 在大范围变温过程中无需进行激 光焦点在xyz方向之任一方向的重新对准， 能够在保持高灵敏度的同时实现连续的大范围 变温测量。 0071 (实施例1) 0072 动态磁扭矩测量是。

40、悬臂梁灵敏力探测在材料学方面的重要应用。 实施例1使用了 第二实施方式的力测量装置201进行动态磁扭矩测量。 将磁性材料样品贴附在悬臂梁的自 由端， 在外加磁场下， 样品受到力矩的作用导致悬臂梁的共振频率发生变化。 在进行动态磁 扭矩测量时获取的是悬臂梁共振频率的信息。 0073 其中选用的悬臂梁的示例表示在图8中， 该悬臂梁厚度为1 m， 光反射面面积约为 40 m40 m， 图中作为示意， 悬臂梁的前端已经转移上了厚度为100nm， 面积约为30 m10 m的Cd3As2纳米片。 0074 实验测量了变温时悬臂梁共振频率的变化， 变温范围为300K到4K。 实验结果如图9 所示， 随着温度。

41、的降低， 悬臂梁的杨氏模量随温度发生了变化， 导致悬臂梁弹性系数改变， 引起共振频率变化。 整个测试在QD公司的商业磁体PPMS中进行， 变温测量过程中， 从室温 300K到4K整个大范围变温过程中都能实时地测量悬臂梁的共振频率， 测试未发生间断， 验 证了第二实施方式的力测量装置201能够在保持高灵敏度的同时实现连续的大范围变温测 说明书 7/8 页 10 CN 111413015 A 10 量。 0075 (实施例2) 0076 实施例2使用Cd3As2纳米片作为测试对象进行动态磁扭矩测量。 测试时， 温度为2K， 扫场从0到14T， 磁场从沿Cd3As2纳米片面外施加。 图10是扫场测量。

42、到的Cd3As2纳米片量子震 荡， 磁场与纳米片的夹角每隔5度测量一次。 从测量结果来看， 施加的磁场在大于4T后能观 察到明显的SDH震荡， 震荡随着磁场强度增大磁信号增强。 从测量Cd3As2纳米片的实验结果 来看， 本发明的力测量装置完全可以进行纳米尺度磁性样品的磁扭矩测量研究。 0077 上面对本发明的各实施方式和各实施例进行了简单说明， 应当认识到， 本发明不 限于上述说明， 可以有各种变化。 例如， 在光反射面足够大， 焦点的xy方向的偏移不敏感的 情况下， 第二实施方式中描述的光纤固定管可以脱离第一实施方式而单独实施。 0078 工业利用性 0079 如上所述， 本发明的力测量装。

43、置能够应用于灵敏力探测的各种领域， 例如西米尔 力的测量、 磁共振力显微镜以及磁性材料的磁扭矩测量等。 说明书 8/8 页 11 CN 111413015 A 11 图1 说明书附图 1/6 页 12 CN 111413015 A 12 图2 图3 说明书附图 2/6 页 13 CN 111413015 A 13 图4 图5 说明书附图 3/6 页 14 CN 111413015 A 14 图6 图7 说明书附图 4/6 页 15 CN 111413015 A 15 图8 图9 说明书附图 5/6 页 16 CN 111413015 A 16 图10 说明书附图 6/6 页 17 CN 111413015 A 17 。