研究人员开发了一种微型光纤力传感器，可以测量小物体施加的轻微的力。它可以浸入各种液体中，大多数应用不需要任何额外的包装。图片来源：马里博尔大学 Denis Donlagic
研究人员开发了一种微型光纤力传感器，可以测量小物体施加的轻微的力。新的基于光的传感器克服了基于微机电传感器 (MEMS) 的力传感器的局限性，可用于从医疗系统到制造的应用。
斯洛文尼亚马里博尔大学的研究小组负责人 Denis Donlagic 说：“力传感的应用很多，但缺乏可以对小物体进行力测量的完全微型和多功能的力传感器。” “我们的传感器作为迄今为止设计的小和通用的光纤力传感器之一，有助于满足这一需求。”
在光学学会 (OSA) 期刊Optics Letters中，Donlagic 和 Simon Pevec 描述了他们的新传感器，该传感器由石英玻璃制成，形成一个只有 800 微米长和 100 微米直径的圆柱体——与人类头发的直径大致相同。他们通过测量蒲公英种子的硬度或液体的表面张力，证明了新传感器能够以比微牛顿更好的分辨率测量力。
“高分辨率力传感和广泛的测量范围可用于小物体的灵敏操纵和加工，非常少量液体的表面张力测量，以及在细胞水平上操纵或检查生物样品的机械特性，”Donlagic 说.
研究人员还使用微型力传感器来测量细杆偏转过程中的力。图片来源：马里博尔大学 Denis Donlagic
创建全玻璃传感器
尽管基于 MEMS 的传感器可以提供微型力传感能力，但它们的应用受到限制，因为它们需要特定应用的保护性封装和多个电气连接。如果没有适当的封装，MEMS 设备也不具备生物相容性，也不能浸入水中。
为了开发更通用的微型力传感器，研究人员制造了一种完全由玻璃制成的全光纤传感器。这项复杂的任务是通过研究人员先前开发的一种特殊蚀刻工艺来实现的，该工艺用于制造复杂的全纤维微结构。他们使用这种微加工工艺制造了一个基于法布里-珀罗干涉仪的传感器——一个由两个平行反射面制成的光学腔。
传感器的引入光纤的末端与一个薄的柔性二氧化硅膜片一起被用来制造微型干涉仪。当外力施加到末端带有圆形或圆柱形力传感探头的二氧化硅柱上时，它会以亚纳米分辨率测量的方式改变干涉仪的长度。
传感器结构的制造方式创造了一个空气密封的空腔，可防止污染并适合在生化环境中使用。它不仅可以浸入各种液体中，而且还可以测量正负力，并且对于大多数应用来说不需要任何额外的包装。
研究人员使用新传感器通过测量从水（左）和异丙醇（右）中取出微型圆柱体时的回缩力来测量液体的表面张力。图片来源：马里博尔大学 Denis Donlagic
测量微小的力
在评估和校准传感器后，研究人员用它来测量人类头发和普通蒲公英种子的杨氏模量——一种刚度的量度。他们还通过测量从液体中取出微型圆柱体时的回缩力来测量液体的表面张力。研究人员能够以大约 0.6 微牛顿的分辨率和大约 0.6 毫牛顿的力范围测量力。
“力传感尖端可以做得更小——直径低至约 10 微米——并且可以适应执行各种力传感任务，”Donlagic 说。“微型力传感器还可用于制造更复杂的传感器，例如测量磁场和电场或确定液体表面张力或流动的传感器。”
研究人员表示，当前版本的传感器已经可以使用了。然而，提高过载稳健性、生产其他形状的探针尖端或添加小型化封装可以进一步扩大潜在应用。研究人员还在努力使用于制造传感器的过程自动化，以使其更实用。