研究人员制造出微型全光纤力传感器

研究人员开发出一种微型全光纤法布里-珀罗传感器，用于测量极小力。这项工作发表在《Optics Letters》杂志上，该传感器是由石英玻璃制成的圆柱体，长度约为800 µm，直径约为105 µm，与人发的直径大致相同。他们通过使用新传感器测量蒲公英种子的硬度或液体的表面张力，实验证明了该传感器拥有约0.6 µN的力感测分辨率，同时拥有约0.6 mN的可明确测量范围。

微型系统（如微流控系统）通常需要控制和测量作用在小物体上的力。传统的基于微机电系统（MEMS）的力传感器尽管可以提供较高的测量分辨率，但其尺寸，几何形状和电特性在许多应用中受到限制。MEMS系统需要适当的包装，如果没有适当的包装，则MEMS装置也不具有生物相容性，也无法浸入水中，且其几何形状通常只能限于需要电连接的中型芯片的矩形形状。基于锥形超细纤维的法布里-珀罗（FP）传感器利用光纤布拉格光栅（ FBG），可以弥补MEMS传感器的不足。但是目前的光纤传感器很少能用于测量极微小的力，且一般对使用环境比较敏感。

创建全玻璃传感器

为了开发更通用的微型力传感器，研究人员创建了一种完全由玻璃制成的微型光纤力传感器，该传感器在光纤尖端处形成，带有密封的FP干涉仪（FPI）。他们先前开发出一种复杂的蚀刻工艺，用来制造复杂的全纤维微结构。他们使用这种微加工工艺来创建基于Fabry-Perot干涉仪的传感器，一种由两个平行反射面制成的光学腔。

它能够与包括导电液体和化学侵蚀性液体在内的各种不同操作环境兼容，不需要额外的包装，并且具有圆柱形状，可以在各种应用中直接使用。具体而言，该传感器传感器由在光纤末端形成的二氧化硅薄隔膜组成。膜片的中心部分延伸到一个硅极中，硅极的末端是一个圆形探针或一个易于施加测力的传感圆柱体。

整个传感器由石英玻璃制成，呈圆柱形，长度约为800 µm，直径约为105 µm。其特殊之处在于制造使用的二氧化硅玻璃材料中掺杂了特定量的磷。为了使感应膜片足够薄并提升其灵敏度，该薄膜在显微镜下切割并抛光打磨而成。当外力施加到探头上时，磁极使膜片偏转，从而调节FPI的长度。之后使用商用信号探测器在光谱上探测干涉仪的长度。在探测器的可用波长范围内（1529和1568.2 nm之间）可获取背反射光谱。在将后向反射的光功率与波长数据转换为光功率与光频率数据之后，对采集的光谱数据执行离散快速傅里叶逆变换（IDFFT），即可得出需测量的力的大小。

传感器的末端引入光纤和薄而柔软的二氧化硅膜片来制造微型干涉仪。当外力施加到端部有圆形或圆柱形测力探头的硅胶柱上时，它会改变干涉仪的长度，其精度为亚纳米级。实验表明，该传感器拥有约0.6 µN的力感测分辨率，同时拥有约0.6 mN的可明确测量范围。

传感器结构的制造方式形成了一个气密腔，可以防止污染，同时可应用于生化环境中。它不仅可以浸入各种液体中，还可以测量正负力，并且在大多数应用中不需要任何额外的包装。

测量微小的力

在对传感器进行评估和校准后，研究人员用它来测量人的头发和普通蒲公英种子的杨氏模量（一种硬度的度量）。同时，通过测量从液体中取出的微型圆筒的回缩力，来测量液体的表面张力。

论文作者Donlagic说：“高分辨率力感测和广泛的测量范围可用于对小物体进行灵敏的操纵和加工，在非常少量的液体上进行表面张力测量以及在细胞水平上操纵或检查生物样品的机械性能。” 同时，他表明，“这种力传感头可以大大减小小至10微米左右，并且可以用来执行各种测力任务。“微型力传感器还可用于创建更复杂的传感器，例如用来测量磁场、电场、确定表面张力、液体流量等。”

该传感器目前已经可以使用，但是，提高过载的鲁棒性，生产其他形状的探针以及增加小型化的包装都可以进一步扩大潜在的应用范围。研究人员还致力于自动化制造传感器的过程，使其更加实用。