扫描探针显微镜中使用的石英音叉力传感器的动力学

我们对振荡石英音叉的动力学进行了实验表征，这些音叉正越来越多地用作扫描探针显微镜中的力传感器。我们表明，音叉可以描述为一个耦合振子系统。然而，这种描述需要知道音叉叉齿之间的弹性耦合常数，而该常数尚未被测量。因此，音叉通常被描述为单振子或弱耦合振子近似，忽略了叉齿之间的耦合。我们提出了三种不同的方法来测量弹性耦合常数：光机械方法、克利夫兰方法的变体以及基于热噪声的方法。我们发现，石英音叉叉齿之间的耦合对动力学有强烈影响，测得的运动与一个简单的耦合谐振子模型非常吻合。精确确定音叉叉齿之间的弹性耦合，可以建立共振频率偏移与作用于音叉叉齿自由端的力梯度之间的定量关系。