我國學者研制光纖型微力傳感器實現納牛頓級微弱力測量

　　在國家自然科學基金項目（批準號：62075136、62005173）等資助下，深圳大學廖常銳教授、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 nanoforce measurements)”為題，于2021年8月27日發表在《光：科學與應用》(Light: Science & Applications)上。

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

　　隨著器件小型化的發展，微操作引起人們極大的關注。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、組織成像和微創探測等領域，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，傳統的基于微機電系統（MEMS）的微力傳感器受限于結構封裝和電學解調方式，其結構尺寸較大、檢測精度較低且易受環境電磁場干擾，繼續縮小力學傳感器尺寸并提高力學檢測精度是研發小型化微力傳感器面臨的巨大挑戰。

　　針對這一挑戰，該研究團隊采用飛秒激光雙光子聚合納米光刻技術，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構。該結構中，光纖端面與固支梁構成光學法-珀微腔，通過對法-珀微腔白光干涉光譜解調獲得施加力和傳感器輸出之間的線性關系，并利用固支梁探針的結構緊湊、低剛度和高彈性，使光纖微力傳感的力學檢測靈敏度高達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微型原子力顯微鏡系統提供了新方案，更為光纖集成聚合物微納傳感器研究提供了新思路，在材料力學性能研究和生物樣品檢測方面具有廣闊的應用前景。

圖1 光纖型微力傳感器結構特征與力學傳感應用。a光纖型微力傳感器結構原理圖；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