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光纤微力传感器：纳牛顿力测量与生物检测

2021-09-29 10:58

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

撰稿 | 邹梦强廖常锐（深圳大学）

在微观世界中，如果接触力得不到可靠的检测和有效的控制，微观物体很容易损坏。例如，在医疗心脏导管插入术中，医生必须了解导管与血管壁之间的接触力，以避免在插入过程中损坏患者的血管网络。此外，许多其他领域，如微系统、生物样品检测、微流控、微组装和材料科学，都需要高灵敏度的微力传感器。

图1：光纤端面力学探针艺术效果图

在过去的几十年中，基于微机电系统（MEMS）的各种电容式力传感器、压电式力传感器等都得到了飞速发展。MEMS微力传感器可以提供高测量分辨率和大测量范围，但受限于封装方式其结构尺寸较大，并且易受环境电磁场干扰，在许多应用中受到限制。

与MEMS微力传感器相比，光纤微力传感器具有灵敏度高、柔韧性好、重量轻、体积小、生物相容性好、抗电磁干扰等众多优点。

双光子聚合（TPP）是一种由飞秒激光诱导的3D微打印技术，其打印精度可达100nm以下。其应用领域包括超材料、MEMS、微流控和生物医学等。理想情况下，TPP技术可用于制造任意形状的微纳结构，即使是微仿生或微磁驱动器件等采用传统加工方式难以制造出的微结构，也可以利用双光子聚合技术实现，具有良好的应用前景。

通过TPP技术与光纤器件的完美结合，可以开发出各种各样的新型光纤微结构传感器，从材料体系和结构体系两方面发展光纤传感器，拓展其应用领域。

近日，深圳大学王义平教授团队的廖常锐等人以“Fiber-tip polymer clamped-beam probe for high-sensitivity nanoforce measurements"为题在 Light: Science & Applications 发表了最新研究成果。

该团队基于结构力学原理研发了一种微型光纤微力传感器，实现了纳牛顿（nN）级微弱力的测量，并将其用于生物样品检测。

研究人员采用飞秒激光诱导的双光子聚合（TPP）3D微打印技术首次在单模光纤端面成功打印出固支梁探针型微力传感器。

图2：a光纤端面固支梁探针扫描电镜图（SEM）。b和c分别是固支梁探针在光纤端面上受压和释放时的光学显微镜图。

这种全光纤微力传感器的力学灵敏度高达1.51 nm/μN，实现了光纤微力传感方向的最高检测下限（54.9 nN）；利用传感器成功测量获得PDMS（聚二甲基硅氧烷）、蝴蝶触角和人类头发的杨氏模量。

传感器制备与表征

研究人员制备了不同高度（15µm、30µm和50µm）的固支梁探针，并对比研究了其法珀干涉光谱特性。三种高度固支梁探针的光学显微镜图及其反射光谱如图3a所示。随着基座高度的增加，固支梁和光纤端面仍能保持平行。此外，聚合物固支梁探针具有较高的干涉光谱对比度（>15dB）。以上特征表明TPP打印的光纤端面固支梁探针具有优秀的光学性能。

为了研究该传感器的力学传感性能，研究人员利用有限元方法建立了具有不同探针直径（10μm、5μm和3μm）的力学分析模型，仿真结果如图 3b-e所示。

图3：a不同基座高度的固支梁探针的光学显微镜图及其法珀干涉光谱。b、c、d相同微力（1 μN）作用于不同直径探针的弯曲变形仿真结果。e相同微力下探针直径与固支梁弯曲变形的关系。

结果表明：在相同的微力作用下，探针直径越小，法珀腔的腔长压缩越显著，即减小探针直径可以有效提高传感器的力学灵敏度。综合考虑传感器的力学灵敏度和探针机械强度，优化的探针直径为5 μm。

微力传感性能标定

研究人员对光纤端面固支梁探针逐渐施加外力，并实时监测其反射光谱。当以300 nN 的增量从0 nN逐渐增加到2700nN时，光纤端面固支梁探针的反射光谱演变如图4a所示，从图中可以看出反射谱的Dip波长随着微力的增加而逐渐蓝移。

图4：a逐渐增加施加力时传感器反射光谱的演变过程。b Dip波长与施加力的线性关系曲线。c基于有限元的变形分布仿真结果。

Dip波长与施加力的关系如图4b所示，利用线性拟合计算出该光纤微力传感器的力学灵敏度高达-1.51nm/μN，成功建立了施加力和传感器输出之间的线性关系，完成了传感器的微力标定。

力学传感应用

研究人员利用该光纤微力传感器对多种材料（PDMS、蝴蝶触角和成年女性头发）的杨氏模量进行了检测。固支梁探针压PDMS前后的反射光谱如图5c所示，根据反射光谱的测量结果，并结合材料力学方程，可计算出PDMS的杨氏模量为4.8MPa。利用原子力显微镜对相同PDMS样品进行力学测试，得到其杨氏模量平均值为5.11MPa（图5a），光纤微力传感器的测量结果与原子力显微镜结果基本一致，验证了该光纤微力传感器的可靠性。研究人员利用相同方法成功测量了蝴蝶触角和成年女性头发的杨氏模量，蝴蝶触角的测量结果如图5b所示。