(19)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 202211461196.5 (22)申请日 2022.11.16 (71)申请人 之江实验室 地址 311121 浙江省杭州市余杭区之江实 验室南湖总部 (72)发明人 熊芳　吴通　郭磊磊　 (74)专利代理 机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 专利代理师 林松海 (51)Int.Cl. G01L 1/00(2006.01) G01L 9/14(2006.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种真空抗磁悬浮力探测器及其应用方法 (57)摘要 本发明公开了一种真空抗磁悬浮力探测器 及其应用方法。 真空抗磁悬浮力探测器包括： 磁 悬浮势阱、 悬浮机械摆、 真空腔、 探测光路及外围 电路； 所述悬浮机械摆上端为抗磁材料， 位于磁 势阱中， 为悬浮机械摆提供悬浮力， 下端通过小 杆与上端相连， 小杆穿过磁悬浮势阱通孔， 下端 露出磁悬浮势阱； 真空腔包括温控系统、 多级隔 振系统， 以及信号发生与处理模块、 探测模块； 温 控系统使得真空腔保持恒温， 多级隔振系统用于 隔绝外界振动干扰， 信号发生与处理模块用于调 制解调力信号， 探测模块用于探测所述悬浮机械 摆的运动。 本发 明对一些短程力的探测具有重要 应用价值， 亦可对原子力显微镜进行改进， 悬浮 机械振子比AFM采用的悬臂梁结构具有更高的灵 敏度。 权利要求书2页 说明书9页 附图4页 CN 115493726 A 2022.12.20 CN 115493726 A 1.一种真空抗磁悬浮力探测器， 其特 征在于， 包括： 磁悬浮势阱、 悬浮机 械摆、 真空腔、 探测光路及外围电路； 所述悬浮机械摆上端为抗磁材料， 位于磁势阱中， 为悬浮机械摆提供悬浮力， 下端通过 小杆与上端相连， 小杆穿过磁悬浮势阱通 孔， 下端露出磁悬浮势阱； 真空腔包括温控系统、 多 级隔振系统， 以及信号发生与处 理模块、 探测模块； 温控系统使得真空腔保持恒温， 多级隔振系统用于隔绝外界振动干扰， 信号发生与处 理模块用于调制解调力 信号， 探测模块用于 探测所述悬浮机 械摆的运动。 2.根据权利要求1所述的真空抗磁悬浮力探测器， 其特征在于， 所述磁悬浮势阱， 其制 备步骤是： 步骤一： 设计永磁铁构型， 使所述的悬浮机械摆在三维空间稳定悬浮， 并且预留小孔供 悬浮机械摆穿过； 步骤二： 按照设计的永磁铁构型对永磁铁组件进行加工与充磁； 步骤三： 将加工与充磁好的永磁铁组件放入无磁性膜具中进行组装， 并在模具中按照 步骤一所述的设计调节好各个永磁铁组件之间的相对位置； 步骤四： 用环氧树脂将永磁铁组件 粘牢封装。 3.根据权利要求2所述的真空抗磁悬浮力探测器， 其特征在于， 所述的步骤一， 利用 COMSOL或者ANSYS仿真软件 模拟设计永磁铁构型。 4.根据权利要求1所述的真空抗磁悬浮力探测器， 其特征在于， 所述的悬浮机械摆， 包 括： 悬浮端、 探 头端， 和中间的连接杆。 5.根据权利要求4所述的真空抗磁悬浮力探测器， 其特征在于， 所述悬浮端， 位于所述 的磁势阱内， 悬浮端 具备抗磁性， 平衡时， 悬浮端在磁势阱中所受到的磁力等于整个悬浮机 械摆的重力。 6.根据权利要求5所述的真空抗磁悬浮力探测器， 其特征在于， 所述悬浮端， 材料采用 以下之一， 包括聚甲基丙烯 酸甲酯 （PMMA） 、 金刚石、 二氧化硅、 热解石墨、 铋； 形状采用球体、 块体或者圆柱体形状。 7.根据权利要求4所述的真空抗磁悬浮力探测器， 其特征在于， 所述探头端， 位于磁势 阱外， 作为电场、 磁场或者引力场的探针， 探头端的形状采用以下 形状之一： 球 体、 圆柱体、 锥体； 探头端的材料根据待测物 理量来确定,探测电场用带电金属， 探测磁场用磁性材料， 探 测与质量相关的引力场用高密度材 料。 8.根据权利要求4所述的真空抗磁悬浮力探测器， 其特征在于， 所述悬浮端、 探测端与 杆组装或者 一体化加工而成： 在制备好悬浮端、 探测端与杆后， 在显微镜的辅助下， 通过紫外胶将三者粘连在一起； 或者 通过微纳加工、 微缩3D打印技 术进行一体化加工； 或者 利用光纤熔融技 术一体化加工， 方案如下： 第一步： 准备一 根长度适中大小适中的光纤 纤芯； 第二步： 采用光纤熔接机在光纤两端各熔融出一个小球， 熔融出的两个小球分别作为 探头端和悬浮端， 中间段的光纤 纤芯则作为连接杆；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115493726 A 2第三步： 采用蒸镀 工艺， 在表面蒸镀一层亚 微米厚度的金属薄膜， 用于防静电。 9.根据权利要求1所述的真空抗磁悬浮力 探测器， 其特征在于， 所述探测光路及外围电 路中： 探测光路部分包括： 激光器、 光纤、 透 镜、 紫外灯； 外围电路部分包括： 探测模块中的四象限光电探测器， 以及信号发生与处理模块中的 信号发生器、 锁相放大器、 信号处 理模块； 紫外灯照射在悬浮机 械摆上， 用于祛除悬浮机 械摆所带的静电； 激光器发射出来的激光通过光纤准直、 透镜汇聚后打在悬浮机械摆上， 悬浮机械摆的 散射光通过透镜收集后汇聚于四象限光电探测器上， 以此探测悬浮机 械摆的运动； 信号发生器、 锁相放大器和信号处 理模块用于 外加信号的调制解调。 10.一种根据权利要求1所述的真空抗磁悬浮力探测器的应用方法， 其特征在于， 步骤 如下： 步骤一： 准备待测力 信号发生模块， 置 于真空腔中， 待测力用 F表示； 步骤二： 准备 所述抗磁悬浮力探测器， 置 于真空腔中； 步骤三： 使力发生模块产生的力信号作用于抗磁悬浮力 探测器上， 操作方式是， 将力信 号发生模块置于抗磁悬浮力探测器的金属屏蔽膜之下， 通过特定的方式将力信号施加到力 探测器的探测端； 步骤四： 搭建探测光路， 探测悬浮摆的运动位移ΔX,通过传递函数便能反推得到待测 力大小： F=ΔX/ χ， 上式中χ代表悬浮机 械摆的力到位移的传递 函数； 所述步骤四具体实施步骤是： 1） 准备一个激光源， 将激光源发出激光分为两束， 一束作为参考光， 另一束打在悬浮摆 力探测器上； 2） 用四象限光电探测器探测经 过悬浮摆散射后的激光； 3） 对参考光功率与四象限光电探测器探测到的功率进行对照处理， 获得悬浮物体的运 动： ΔX= ζ ΔV； 其中V为四象限光电探测器探测到的相对于参考光探测器的电压， 上式中， 相对电压的 变化为ΔV， 悬浮摆的位移为ΔX， ζ为伏米系数， 其数值通过热噪声标定、 电场标定、 磁场标 定或者万有引力标定获得。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115493726 A 3