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全玻璃光纤传感器对小物体进行微小力测量

2020-09-16 16:23:47浏览:545来源:中国激光网   

研究团队设计了一个微小的光纤力传感器,它的大小差不多等于人的头发直。它能够测量小物体施加的极小的力。这个基于光的传感器由硅玻璃制成,然后做成了一个圆柱形。它克服了基于 MEMS 的力传感器的局限性,可用于医疗系统和制造领域。

研究小组利用微加工工艺技术。这种工艺特点是采用独特的蚀刻工艺,研究人员最初开发这种工艺来制造复杂的全光纤微结构。这种传感器基于一种称为Fabry-Pérot干涉仪的光学腔,干涉仪由两个平行反射表面制成。微型传感器在其端点配备了一个导入光纤,这个光纤与超薄的柔性硅膜片一起组成器件的干涉仪。甚至还可以将力感应尖端尺寸减小到直径约 10μm,这样可使它适用于很多感应力的任务。

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研究人员已经开发出一种微型光纤力传感器,可以测量小物体施加的极小的力。它可以浸入各种液体中。 对于大多数应用,它甚至不需要额外的包装。Denis Donlagic, University of Maribor供图
图1研究人员已经开发出一种微型光纤力传感器,可以测量小物体施加的极小的力。它可以浸入各种液体中。 对于大多数应用,它甚至不需要额外的包装。Denis Donlagic, University of Maribor供图

当外力施加到在末端具有圆形或圆柱力感应探针的二氧化硅柱面上时,干涉仪的长度会发生变化,研究人员可以用亚纳米分辨率进行测量。全玻璃结构增加了全光纤传感器的多功能性。虽然基于 MEMS 的传感器也能够提供微型力感应功能,但它们需要特定用途的封装保护以及多个电气连接。除非封装得当,否则它们也缺乏生物兼容性且不能浸入水中。新传感器的另外一个特点是,它创造了一个空气密封腔。这个腔不会被污染,使其越来越适用于生化环境。玻璃传感器能够浸入各种液体中同时测量正负力,适用于大多数应用并且可以胜任各种测量,无需额外的封装。

来自University of Maribor (Slovenia)的Denis Donlagic是引进该传感器的研究小组的领导者。他加入了University of Maribor的Simon Pevec的课题组。两者共同展示了传感器测量微小力的能力,这个传感器分辨率优于微牛顿。Donlagic 说:“高分辨率力感应和广泛的测量范围可用于对小物体进行敏感操作和加工,在非常小体积的液体上进行表面张力测量,以及操控或检查生物样品在细胞级水平上的力学性能。”

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研究人员使用这种新传感器测量液体的表面张力,方法是测量从水和异丙醇中移开微型圆柱探针时的收缩力。Denis Donlagic, University of Maribor供图
图2研究人员使用这种新传感器测量液体的表面张力,方法是测量从水和异丙醇中移开微型圆柱探针时的收缩力。Denis Donlagic, University of Maribor供图

在其中一项应用中,研究人员精确校准了传感器,然后测量了人类头发和蒲公英种子的杨氏模量(刚度测量)。在另一项应用中,研究人员将传感器微型圆柱探针从液体中移开来测量收缩力。研究人员最终测量的力分辨率约为0.6 微牛顿,力范围约为0.6 百万牛顿。由于力感应尖端的尺寸可以进一步减小,它可以建造出复杂度更高的传感器,然后测量磁场和电场或确定液体表面张力。

虽然传感器已准备好投入使用,但提高过载鲁棒性、生产其它形状的探针或者添加微型封装可以扩展其应用。团队成员说他们目前正在致力于使传感器的制造过程自动化来提高其实用性。这项研究发表在《Optics Letters》上(www.doi.org/10.1364/OL.401690)。

(责任编辑:小编)
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