研究人員開發(fā)了一種微型光纖力傳感器，可以測量小物體施加的輕微的力。它可以浸入各種液體中，大多數(shù)應(yīng)用不需要任何額外的包裝。圖片來源：馬里博爾大學(xué) Denis Donlagic

研究人員開發(fā)了一種微型光纖力傳感器，可以測量小物體施加的輕微的力。新的基于光的傳感器克服了基于微機(jī)電傳感器 (MEMS) 的力傳感器的局限性，可用于從醫(yī)療系統(tǒng)到制造的應(yīng)用。

斯洛文尼亞馬里博爾大學(xué)的研究小組負(fù)責(zé)人 Denis Donlagic 說：“力傳感的應(yīng)用很多，但缺乏可以對小物體進(jìn)行力測量的完全微型和多功能的力傳感器�！� “我們的傳感器作為迄今為止設(shè)計(jì)的小和通用的光纖力傳感器之一，有助于滿足這一需求�！�

在光學(xué)學(xué)會 (OSA) 期刊Optics Letters中，Donlagic 和 Simon Pevec 描述了他們的新傳感器，該傳感器由石英玻璃制成，形成一個只有 800 微米長和 100 微米直徑的圓柱體——與人類頭發(fā)的直徑大致相同。他們通過測量蒲公英種子的硬度或液體的表面張力，證明了新傳感器能夠以比微牛頓更好的分辨率測量力。

“高分辨率力傳感和廣泛的測量范圍可用于小物體的靈敏操縱和加工，非常少量液體的表面張力測量，以及在細(xì)胞水平上操縱或檢查生物樣品的機(jī)械特性，”Donlagic 說.

研究人員還使用微型力傳感器來測量細(xì)桿偏轉(zhuǎn)過程中的力。圖片來源：馬里博爾大學(xué) Denis Donlagic

創(chuàng)建全玻璃傳感器

盡管基于 MEMS 的傳感器可以提供微型力傳感能力，但它們的應(yīng)用受到限制，因?yàn)樗鼈冃枰�特定�?yīng)用的保護(hù)性封裝和多個電氣連接。如果沒有適當(dāng)?shù)姆庋b，MEMS 設(shè)備也不具備生物相容性，也不能浸入水中。

為了開發(fā)更通用的微型力傳感器，研究人員制造了一種完全由玻璃制成的全光纖傳感器。這項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)是通過研究人員先前開發(fā)的一種特殊蝕刻工藝來實(shí)現(xiàn)的，該工藝用于制造復(fù)雜的全纖維微結(jié)構(gòu)。他們使用這種微加工工藝制造了一個基于法布里-珀羅干涉儀的傳感器——一個由兩個平行反射面制成的光學(xué)腔。

傳感器的引入光纖的末端與一個薄的柔性二氧化硅膜片一起被用來制造微型干涉儀。當(dāng)外力施加到末端帶有圓形或圓柱形力傳感探頭的二氧化硅柱上時，它會以亞納米分辨率測量的方式改變干涉儀的長度。

傳感器結(jié)構(gòu)的制造方式創(chuàng)造了一個空氣密封的空腔，可防止污染并適合在生化環(huán)境中使用。它不僅可以浸入各種液體中，而且還可以測量正負(fù)力，并且對于大多數(shù)應(yīng)用來說不需要任何額外的包裝。

研究人員使用新傳感器通過測量從水（左）和異丙醇（右）中取出微型圓柱體時的回縮力來測量液體的表面張力。圖片來源：馬里博爾大學(xué) Denis Donlagic

測量微小的力

在評估和校準(zhǔn)傳感器后，研究人員用它來測量人類頭發(fā)和普通蒲公英種子的楊氏模量——一種剛度的量度。他們還通過測量從液體中取出微型圓柱體時的回縮力來測量液體的表面張力。研究人員能夠以大約 0.6 微牛頓的分辨率和大約 0.6 毫牛頓的力范圍測量力。

“力傳感尖端可以做得更小——直徑低至約 10 微米——并且可以適應(yīng)執(zhí)行各種力傳感任務(wù)，”Donlagic 說�！拔⑿土�傳感器還可用于制造更復(fù)雜的傳感器，例如測量磁場和電場或確定液體表面張力或流動的傳感器。”

研究人員表示，當(dāng)前版本的傳感器已經(jīng)可以使用了。然而，提高過載穩(wěn)健性、生產(chǎn)其他形狀的探針尖端或添加小型化封裝可以進(jìn)一步擴(kuò)大潛在應(yīng)用。研究人員還在努力使用于制造傳感器的過程自動化，以使其更實(shí)用。