光纖微力傳感器：納牛頓力測量與生物檢測

2021-09-29 10:58

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

撰稿 | 鄒夢強廖常銳（深圳大學）

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。例如，在醫療心臟導管插入術中，醫生必須了解導管與血管壁之間的接觸力，以避免在插入過程中損壞患者的血管網絡。此外，許多其他領域，如微系統、生物樣品檢測、微流控、微組裝和材料科學，都需要高靈敏度的微力傳感器。

圖1：光纖端面力學探針藝術效果圖

在過去的幾十年中，基于微機電系統（MEMS）的各種電容式力傳感器、壓電式力傳感器等都得到了飛速發展。MEMS微力傳感器可以提供高測量分辨率和大測量范圍，但受限于封裝方式其結構尺寸較大，并且易受環境電磁場干擾，在許多應用中受到限制。

與MEMS微力傳感器相比，光纖微力傳感器具有靈敏度高、柔韌性好、重量輕、體積小、生物相容性好、抗電磁干擾等眾多優點。

雙光子聚合（TPP）是一種由飛秒激光誘導的3D微打印技術，其打印精度可達100nm以下。其應用領域包括超材料、MEMS、微流控和生物醫學等。理想情況下，TPP技術可用于制造任意形狀的微納結構，即使是微仿生或微磁驅動器件等采用傳統加工方式難以制造出的微結構，也可以利用雙光子聚合技術實現，具有良好的應用前景。

通過TPP技術與光纖器件的完美結合，可以開發出各種各樣的新型光纖微結構傳感器，從材料體系和結構體系兩方面發展光纖傳感器，拓展其應用領域。

近日，深圳大學王義平教授團隊的廖常銳等人以“Fiber-tip polymer clamped-beam probe for high-sensitivity nanoforce measurements"為題在 Light: Science & Applications 發表了最新研究成果。

該團隊基于結構力學原理研發了一種微型光纖微力傳感器，實現了納牛頓（nN）級微弱力的測量，并將其用于生物樣品檢測。

研究人員采用飛秒激光誘導的雙光子聚合（TPP）3D微打印技術首次在單模光纖端面成功打印出固支梁探針型微力傳感器。

圖2：a光纖端面固支梁探針掃描電鏡圖（SEM）。b和c分別是固支梁探針在光纖端面上受壓和釋放時的光學顯微鏡圖。

這種全光纖微力傳感器的力學靈敏度高達1.51 nm/μN，實現了光纖微力傳感方向的最高檢測下限（54.9 nN）；利用傳感器成功測量獲得PDMS（聚二甲基硅氧烷）、蝴蝶觸角和人類頭發的楊氏模量。

傳感器制備與表征

研究人員制備了不同高度（15μm、30μm和50μm）的固支梁探針，并對比研究了其法珀干涉光譜特性。三種高度固支梁探針的光學顯微鏡圖及其反射光譜如圖3a所示。隨著基座高度的增加，固支梁和光纖端面仍能保持平行。此外，聚合物固支梁探針具有較高的干涉光譜對比度（>15dB）。以上特征表明TPP打印的光纖端面固支梁探針具有優秀的光學性能。

為了研究該傳感器的力學傳感性能，研究人員利用有限元方法建立了具有不同探針直徑（10μm、5μm和3μm）的力學分析模型，仿真結果如圖 3b-e所示。

圖3：a不同基座高度的固支梁探針的光學顯微鏡圖及其法珀干涉光譜。b、c、d相同微力（1 μN）作用于不同直徑探針的彎曲變形仿真結果。e相同微力下探針直徑與固支梁彎曲變形的關系。

結果表明：在相同的微力作用下，探針直徑越小，法珀腔的腔長壓縮越顯著，即減小探針直徑可以有效提高傳感器的力學靈敏度。綜合考慮傳感器的力學靈敏度和探針機械強度，優化的探針直徑為5 μm。

微力傳感性能標定

研究人員對光纖端面固支梁探針逐漸施加外力，并實時監測其反射光譜。當以300 nN 的增量從0 nN逐漸增加到2700nN時，光纖端面固支梁探針的反射光譜演變如圖4a所示，從圖中可以看出反射譜的Dip波長隨著微力的增加而逐漸藍移。

圖4：a逐漸增加施加力時傳感器反射光譜的演變過程。b Dip波長與施加力的線性關系曲線。c基于有限元的變形分布仿真結果。

Dip波長與施加力的關系如圖4b所示，利用線性擬合計算出該光纖微力傳感器的力學靈敏度高達-1.51nm/μN，成功建立了施加力和傳感器輸出之間的線性關系，完成了傳感器的微力標定。

力學傳感應用

研究人員利用該光纖微力傳感器對多種材料（PDMS、蝴蝶觸角和成年女性頭發）的楊氏模量進行了檢測。固支梁探針壓PDMS前后的反射光譜如圖5c所示，根據反射光譜的測量結果，并結合材料力學方程，可計算出PDMS的楊氏模量為4.8MPa。利用原子力顯微鏡對相同PDMS樣品進行力學測試，得到其楊氏模量平均值為5.11MPa（圖5a），光纖微力傳感器的測量結果與原子力顯微鏡結果基本一致，驗證了該光纖微力傳感器的可靠性。研究人員利用相同方法成功測量了蝴蝶觸角和成年女性頭發的楊氏模量，蝴蝶觸角的測量結果如圖5b所示。