【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】研究人員開發(fā)了一種微型光纖力傳感器，該傳感器可以測(cè)量由小物體施加的極小的力。新型的基于光的傳感器克服了基于微機(jī)電傳感器(MEMS)的力傳感器的局限性，對(duì)于從醫(yī)療系統(tǒng)到制造業(yè)的應(yīng)用都可能有用。
斯洛文尼亞馬里博爾大學(xué)的研究小組負(fù)責(zé)人丹尼斯·唐拉吉奇說：“力感測(cè)的應(yīng)用很多，但缺乏能夠?qū)π∥矬w進(jìn)行力測(cè)量的完全微型和多功能的力傳感器。” “我們的傳感器是迄今為止設(shè)計(jì)的小，用途廣泛的光纖力傳感器之一，有助于滿足這一需求。”
在光學(xué)協(xié)會(huì)(OSA)的Optics Letters雜志中，Donlagic和Simon Pevec描述了他們的新傳感器，該傳感器是由石英玻璃制成的圓柱體，圓柱體長(zhǎng)800微米，直徑100微米-與人類頭發(fā)的直徑大致相同。他們通過使用新傳感器測(cè)量蒲公英種子的硬度或液體的表面張力，證明了其以比微牛頓更好的分辨率測(cè)量力的能力。
Donlagic說：“高分辨率力感測(cè)和廣泛的測(cè)量范圍可用于對(duì)小物體進(jìn)行靈敏的操縱和加工，在非常少量的液體上進(jìn)行表面張力測(cè)量以及在細(xì)胞水平上操縱或檢查生物樣品的機(jī)械性能。”
創(chuàng)建全玻璃傳感器
盡管基于MEMS的傳感器可以提供微型力感測(cè)功能，但是由于它們需要專用的保護(hù)性包裝和多個(gè)電連接，因此其應(yīng)用受到了限制。如果沒有適當(dāng)?shù)陌b，MEMS器件也不具有生物相容性，也無法浸入水中。
為了開發(fā)更通用的微型力傳感器，研究人員創(chuàng)建了一種完全由玻璃制成的全光纖傳感器。研究人員先前開發(fā)出一種復(fù)雜的蝕刻工藝，以制造復(fù)雜的全纖維微結(jié)構(gòu)，從而使這項(xiàng)復(fù)雜的工作成為可能。他們使用這種微加工工藝來創(chuàng)建基于Fabry-Perot干涉儀的傳感器-一種由兩個(gè)平行反射面制成的光學(xué)腔。
傳感器的引入光纖的末端與薄而柔軟的二氧化硅膜片一起用于制造微型干涉儀。當(dāng)外力施加到末端帶有圓形或圓柱形力感測(cè)探針的硅膠柱上時(shí)，它將以亞納米分辨率測(cè)量的方式改變干涉儀的長(zhǎng)度。
傳感器結(jié)構(gòu)的制造方式形成了一個(gè)氣密腔，可以防止污染，并適合在生化環(huán)境中使用。它不僅可以浸入各種液體中，而且還可以測(cè)量正向和負(fù)向力，并且在大多數(shù)應(yīng)用中不需要任何其他包裝。
測(cè)量微小的力
在對(duì)傳感器進(jìn)行評(píng)估和校準(zhǔn)后，研究人員使用它來測(cè)量人發(fā)和普通蒲公英種子的楊氏模量(一種硬度的度量)。他們還通過測(cè)量從液體中取出微型圓筒時(shí)的回縮力來測(cè)量液體的表面張力。研究人員能夠以約0.6微牛頓的分辨率和約0.6毫牛頓的力范圍測(cè)量力。
Donlagic說：“測(cè)力頭可以做得更小-直徑可以減小到大約10微米-并且可以執(zhí)行各種測(cè)力任務(wù)。” “微型力傳感器還可用于創(chuàng)建更復(fù)雜的傳感器，例如測(cè)量磁場(chǎng)和電場(chǎng)或確定表面張力或液體流量的傳感器。”
研究人員說，該傳感器的當(dāng)前版本已準(zhǔn)備就緒。但是，提高過載的魯棒性，生產(chǎn)其他形狀的探針或增加小型化的包裝都可以進(jìn)一步擴(kuò)大潛在的應(yīng)用范圍。研究人員還致力于使用于制造傳感器的過程自動(dòng)化，以使其更加實(shí)用。
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