皮牛級光纖微力傳感器設(shè)計及工作原理

在微納尺度，實(shí)現(xiàn)微小力的精確測量對很多學(xué)科的前沿探索有很大的推動作用。微力傳感器的核心原則為器件尺寸及傳感性能與使用場景的適配。其中，在準(zhǔn)確判斷微觀物理過程中微小力的作用時，傳感器的測量精度尤為重要。 目前已有的高精度（皮牛級）力學(xué)傳感系統(tǒng)包括MEMS、AFM等，其通常是為特定用途而開發(fā)的，價格高昂，使用復(fù)雜，不能和柔性、可穿戴等場景相融合。

光纖力學(xué)傳感器具有柔性、抗電磁干擾、全光集成等突出優(yōu)勢，為解決上述問題提供了新的思路。所以，開發(fā)高性能、低成本、易于使用且通用的光纖傳感器具有極大意義。

傳統(tǒng)光纖力學(xué)傳感器一般使用光纖拼接微腔、光纖布拉格光柵、懸臂梁等方式進(jìn)行力學(xué)傳感?？紤]到上述傳感單元力學(xué)靈敏度的限制，大部分光纖力學(xué)傳感器的精度大多在微牛到納牛量級，相較于MEMS、AFM等還有不小的差距。

高靈敏力學(xué)單元的光纖集成化是其中的一大技術(shù)難點(diǎn)。近年來，研究人員提出了3D微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)器件靈敏度的新方案，但在3D結(jié)構(gòu)設(shè)計及高精度微納加工兩方面還存在明顯不足，這極大地限制了光纖傳感器在高精度力學(xué)探測領(lǐng)域的應(yīng)用。

近日，西湖大學(xué)仇旻教授課題組利用微納彈簧這一力學(xué)單元，所制備的光纖力學(xué)傳感器達(dá)到了皮牛精度。此外，團(tuán)隊還展示了該傳感器在探測非線性氣流力方面的應(yīng)用。

該成果發(fā)表在Advanced Materials，題為“Fiber-integrated force sensor using 3D printed spring-composed Fabry-Perot cavities with a high precision down to tens of piconewton”。西湖大學(xué)納米光子學(xué)與儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室2019級博士生尚興港為第一作者，國科大杭州高等研究院副研究員王寧（原仇旻教授課題組博士后）、西湖大學(xué)特聘研究員周南嘉、西湖大學(xué)國強(qiáng)講席教授仇旻為共同通訊作者。

傳感器設(shè)計及工作原理

該團(tuán)隊采用了三彈簧平板結(jié)構(gòu)作為力學(xué)傳感單元，其傳感原理如圖1所示，把彈簧集成在光纖端面，自然形成了法布里-珀羅（Fabry-Perot, FP）腔，反射到光纖纖芯的光疊加產(chǎn)生干涉光譜。光譜波谷位置和腔長緊密相關(guān)。實(shí)驗(yàn)上，通過分析光譜的漂移量，借助結(jié)構(gòu)壓縮量這一中間值，即可得到結(jié)構(gòu)受力。

圖1：彈簧光纖傳感器工作原理

圖源：Advanced Materials ? ?

傳感器加工優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)上，該團(tuán)隊采取了雙光子聚合（Two Photon Polymerizations, TPP）這一3D打印方法制備彈簧結(jié)構(gòu)。然而，實(shí)現(xiàn)高性能3D結(jié)構(gòu)微納彈簧是一個極大的挑戰(zhàn)，為了得到更優(yōu)的探測極限，對彈簧幾何參數(shù)的要求異?？量?，常用的加工工藝無法保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。為了解決該問題，仇旻團(tuán)隊改進(jìn)了TPP的后處理工藝，仔細(xì)選用了低表面張力清洗劑以降低液體蒸發(fā)時毛細(xì)力對結(jié)構(gòu)的破壞作用。在光纖端面加工得到的穩(wěn)定彈簧結(jié)構(gòu)如圖2所示，其彈性系數(shù)k為44.5 pN/nm。

圖2：加工工藝優(yōu)化

圖源：Advanced Materials ?

器件標(biāo)定

常用原位力學(xué)測量設(shè)備的測量精度大多為納牛量級，很難對該彈簧傳感器進(jìn)行精確標(biāo)定。為此，團(tuán)隊采用了如圖3所示的標(biāo)定過程。實(shí)驗(yàn)上，不同直徑的標(biāo)準(zhǔn)SiO2微球被轉(zhuǎn)移到彈簧平板表面，微球的重力會使彈簧產(chǎn)生壓縮。由此，可得到光譜漂移量和壓縮重量間的對應(yīng)關(guān)系，即可準(zhǔn)確定標(biāo)。配合于高精度光譜儀，彈簧基光纖傳感器的靈敏度和探測極限分別為0.436 nm/nN和40.0 pN。

圖3：器件標(biāo)定過程

圖源：Advanced Materials

非線性氣流力探測

為進(jìn)一步展示彈簧光纖傳感器在微小力探測方面的優(yōu)勢，論文作者演示了傳感器測量微弱氣流力的應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)中觀測到了氣流力隨氣壓非線性變化的趨勢，數(shù)據(jù)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中得到的氣流力大小及變化趨勢與與CFD仿真結(jié)果相符。

圖4：傳感器測得的非線性氣流力。

圖源：Advanced Materials

未來展望

該傳感器有望被應(yīng)用于多領(lǐng)域。例如，掃描式彈簧光纖傳感器可被應(yīng)用在薄膜楊氏模量及生物力學(xué)的精密傳感領(lǐng)域，“非接觸”探測模式可為湍流、光力等領(lǐng)域提供新思路。

此外，伴隨著未來3D結(jié)構(gòu)設(shè)計加工方法的升級，傳感器的探測精度可能被進(jìn)一步提升。

審核編輯：黃飛

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