Vi beskriver en mikromaskiniserad kraftsensor som kan mäta krafter så små som 1 pN i både luft och vatten. Först mätte vi kraftfältet som producerades av en elektromagnet på individuella 2,8 m magnetiska pärlor som limmades till sensorn. Genom att upprepa med 11 olika pärlor mätte vi en 9 % standardavvikelse i mättnadsmagnetisering. Därefter visade vi att sensorn var fullt fungerande när den var nedsänkt i fysiologisk buffert. Dessa resultat visar att kraftsensorerna kan vara användbara för kalibrering av magnetisk kraft och även för mätning av biofysiska krafter på chip. 8 Även om dessa metoder är mycket användbara, har de i vissa fall nackdelar. I Stokes dragkalibrering måste partikelradien och lösningsmedelsviskositeten vara exakt kända; den magnetiska partikeln kan också färdas ett stort avstånd jämfört med partikeldiametern, vilket leder till komplikationer när fältgradienten är stor. Vid användning av Brownian dynamik måste längden på tjudret mätas eller härledas, och temperaturen måste vara väl kontrollerad. För att ta itu med dessa komplikationer har vi konstruerat, tillverkat och testat en kompatibel ytmikromaskinsfjäder med vilken det laterala kraftfältet hos en elektromagnet på en enda magnetisk mikropartikel kan kalibreras. Detta ger en enkel kraftkalibrering metod som inte beror på partikelform, längden av polymer tjuder, eller lösningsmedelsförhållanden, och är tillräckligt känslig för att tillåta karakterisering av en enda pärla. Som setts i Fig. 1 ska enheten bestå av galler som är fästade vid en fjädring med vikbar balk, såsom beskrivs i en tidigare tillämpning av mikrofjädring på ytan. 9 Den är tillverkad av ytmikromachining metoder 10 med hjälp av SUMMIT VTM process, med polykristallin kisel  med polysilikon som strukturellt material. Fjäderkonstanten i gallret kan beräknas analytiskt som där E = 164 GPa 11 är Youngs modul, w = 0,75 m är linjebredden mätt med högupplöst skannande elektronmikroskopi, t = 2,25 m är fjädertjockleken, och L o och L i är respektive längder på de yttre och inre fjäderstrålarna, som anges i bild. - Vad är det för fel på dig? För denna bokstav använder vi fjädrar med L i = 542 m och L o = 561 m med en beräknad fjäderkonstant på 0,93 pN/ nm. För att kontrollera noggrannheten hos den beräknade fjäderkonstanten använde vi NIST-spårbara massmikrosfärer (Catalog No. 64170, Polysciences och mätte avböjningen på grund av vikten av mikrosfärerna när chipet vändes på dess sida. Med denna metod som beskrivs i en kommande publikation fick vi en fjäderkonstant på 0,76± 0,06 pN/ nm. Detta värde är något lägre än det beräknade värdet, men är rimligt med tanke på det starka beroendet av fjäderkonstanten på linewidth och variationen i linewidth från chip till chip på grund av olika linewidth förlust över en wafer under bearbetning. Genom att mäta gallret med en numerisk bländare på 0,50, 50 och 50, ger Olympus LMPlanFl på 2,5 nm förskjutningsupplösning i planet och därmed cirka 1,9 pN kraftkänslighet. Med konstruktionen har fjädrarna en maximal deformation på 18 m, och deformationen förblev under 1 m för alla data häri. För en fjäderlängd på 561 m förväntas en avböjning på 1 m ligga inom det linjära intervallet. Med hjälp av två mikromanipulatorer och dragna glasfibrer, vi fäst med vakuum fett enskilda pärlor  pådynal M270 streptavidin, produkt nr. 653.05, tomt nr. F72000 på önskad plats på det mikroelektromekaniska systemet  med en kraftsensor på ca 5 m precision. 12 Figur 1 på bilden visar en enda pärla fäst på en sensor och placerad ca 200 m bort från magneten ansikte. Processen krävde ca 10 min" pärla och var tillräckligt effektiv för att tillåta oss att individuellt karakterisera 11 pärlor och därmed få en fördelning av mättnad ögonblick. För att öka effektiviteten och samtidigt minimera osäkerheten på grund av möjliga linewidthvariationer användes tre kraftsensorer som tillverkades i närheten för dessa mätningar. En kontrollmikrosfär förblev fäst vid en fjärde sensor under alla experiment. Figur 2 visar kraft mot magnetström för 11 olika pärlor på ett axiellt avstånd av 200 m från magnetstolpen. Vi antog att det mättade pärlögonblicket var proportionellt mot bead deplacement vid en maximal applicerad ström  på 20 A, fält= 660 mT, gradient= 21 T / cm, från modellering beskrivs nedan, och konstruerade det histogram som visas i infällningen genom i genomsnitt nio på varandra följande mätningar efter stegströmmar från 0 till 20 A. För de 11 pärlorna mätte vi en standardavvikelse på ±9%, jämfört med mindre än 1% standardavvikelse för kontrollmikrosfären. Variationen beror sannolikt på den variationskoefficient på 3 % av pärlans diameter som rapporterats av tillverkaren. Tidigare forskare hade mätt en standardavvikelse på 72% och 41% för en liknande magnetisk mikrosfär. 5, 12 Vår mycket lägre standardavvikelse skulle kunna återspegla förbättringar i den kommersiella beredningen, eller skulle också kunna återspegla osäkerheter som uppstår från de två tidigare teknikernas känslighet för andra faktorer förutom forcea och nuvarande adress:
Koch m.fl. REF har tillverkat och testat en ytbearbetad fjäder som uppfyller kraven och som kan mäta krafter så små som 1 pico-Newton (pN).
Micromachined piconewton force sensor for biophysics investigations
{'venue': None, 'journal': 'Applied Physics Letters', 'mag_field_of_study': ['Physics']}