我國學(xué)者3D打印出光纖型微力傳感器實現(xiàn)納牛頓級微弱力測量

來源：國家自然科學(xué)基金委員會

在國家自然科學(xué)基金項目（批準號：62075136、62005173）等資助下，深圳大學(xué)廖常銳教授、王義平教授團隊與合作者研制出一種光纖型微力傳感器，實現(xiàn)了納牛頓（nN）級微弱力的測量。研究成果以“用于高靈敏度納米力測量的光纖端面聚合物固支梁探針(Fiber-tip polymer clamped-beam probe for high-sensitivity nanoforcemeasurements)”為題，于2021年8月27日發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》(Light: Science &Applications)上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-021-00611-9。

隨著器件小型化的發(fā)展，微操作引起人們極大的關(guān)注。在微觀世界中，如果接觸力得不到可靠的檢測和有效的控制，微觀物體很容易損壞。尤其在細胞檢測、組織成像和微創(chuàng)探測等領(lǐng)域，迫切需要精確控制和測量作用在微小物體上的微弱力。然而，傳統(tǒng)的基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的微力傳感器受限于結(jié)構(gòu)封裝和電學(xué)解調(diào)方式，其結(jié)構(gòu)尺寸較大、檢測精度較低且易受環(huán)境電磁場干擾，繼續(xù)縮小力學(xué)傳感器尺寸并提高力學(xué)檢測精度是研發(fā)小型化微力傳感器面臨的巨大挑戰(zhàn)。

針對這一挑戰(zhàn)，該研究團隊采用飛秒激光雙光子聚合納米光刻技術(shù)，首次在單模光纖端面3D打印出基于微米尺寸固支梁探針的微力傳感結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，光纖端面與固支梁構(gòu)成光學(xué)法-珀微腔，通過對法-珀微腔白光干涉光譜解調(diào)獲得施加力和傳感器輸出之間的線性關(guān)系，并利用固支梁探針的結(jié)構(gòu)緊湊、低剛度和高彈性，使光纖微力傳感的力學(xué)檢測靈敏度高達1.51 nm/μN、檢測下限低至54.9 nN。進一步，他們利用該傳感器實現(xiàn)了對聚二甲硅氧烷（PDMS）材料樣本和蝴蝶觸角等生物樣本楊氏模量的精確測量（圖1）。

該項研究工作不僅為實現(xiàn)微型原子力顯微鏡系統(tǒng)提供了新方案，更為光纖集成聚合物微納傳感器研究提供了新思路，在材料力學(xué)性能研究和生物樣品檢測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 光纖型微力傳感器結(jié)構(gòu)特征與力學(xué)傳感應(yīng)用。a光纖型微力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖；b光纖端面固支梁探針掃描電鏡圖；c PDMS被推壓20μm時，傳感器反射光譜的演變過程；d 原子力顯微鏡測量的PDMS楊氏模量分布圖；e 固支梁探針推壓蝴蝶觸角的顯微觀測圖

圖2 微力傳感器的結(jié)構(gòu)特征和靜態(tài)性能。a 不同高度的夾持光束探頭的光學(xué)顯微鏡圖像及其相應(yīng)的反射光譜。b-d是傳感器在相同的微力（1μN）作用下的彎曲變形模擬結(jié)果。e 在相同的微力（1μN）作用于不同直徑（10、5和3μm）的探頭上，探頭直徑和彎曲變形之間的關(guān)系。

圖4 實驗裝置。 a 測量系統(tǒng)裝置；插圖 b 懸臂梁在點負荷下的撓度示意圖

圖9 器件的制造過程。 a 將一滴光刻膠溶液滴入SMF的端面，并將蓋玻片壓在光纖的一側(cè)。b 飛秒激光在光纖端面聚合了一個鉗形光束探針結(jié)構(gòu)，并將蓋玻片壓在光纖一側(cè)，以防止光刻膠在聚合過程中流動。c 取下光纖頂部的蓋玻片，用丙酮和異丙醇組成的清洗液清洗未固化的光刻膠。d TPP微納加工的光路示意圖