皮牛级光纤微力传感器设计及工作原理

在微纳尺度，实现微小力的精确测量对很多学科的前沿探索有很大的推动作用。微力传感器的核心原则为器件尺寸及传感性能与使用场景的适配。其中，在准确判断微观物理过程中微小力的作用时，传感器的测量精度尤为重要。 目前已有的高精度（皮牛级）力学传感系统包括MEMS、AFM等，其通常是为特定用途而开发的，价格高昂，使用复杂，不能和柔性、可穿戴等场景相融合。

光纤力学传感器具有柔性、抗电磁干扰、全光集成等突出优势，为解决上述问题提供了新的思路。所以，开发高性能、低成本、易于使用且通用的光纤传感器具有极大意义。

传统光纤力学传感器一般使用光纤拼接微腔、光纤布拉格光栅、悬臂梁等方式进行力学传感。考虑到上述传感单元力学灵敏度的限制，大部分光纤力学传感器的精度大多在微牛到纳牛量级，相较于MEMS、AFM等还有不小的差距。

高灵敏力学单元的光纤集成化是其中的一大技术难点。近年来，研究人员提出了3D微结构增强器件灵敏度的新方案，但在3D结构设计及高精度微纳加工两方面还存在明显不足，这极大地限制了光纤传感器在高精度力学探测领域的应用。

近日，西湖大学仇旻教授课题组利用微纳弹簧这一力学单元，所制备的光纤力学传感器达到了皮牛精度。此外，团队还展示了该传感器在探测非线性气流力方面的应用。

该成果发表在Advanced Materials，题为“Fiber-integrated force sensor using 3D printed spring-composed Fabry-Perot cavities with a high precision down to tens of piconewton”。西湖大学纳米光子学与仪器技术实验室2019级博士生尚兴港为第一作者，国科大杭州高等研究院副研究员王宁（原仇旻教授课题组博士后）、西湖大学特聘研究员周南嘉、西湖大学国强讲席教授仇旻为共同通讯作者。

传感器设计及工作原理

该团队采用了三弹簧平板结构作为力学传感单元，其传感原理如图1所示，把弹簧集成在光纤端面，自然形成了法布里-珀罗（Fabry-Perot, FP）腔，反射到光纤纤芯的光叠加产生干涉光谱。光谱波谷位置和腔长紧密相关。实验上，通过分析光谱的漂移量，借助结构压缩量这一中间值，即可得到结构受力。

图1：弹簧光纤传感器工作原理

图源：Advanced Materials    

传感器加工优化

实验上，该团队采取了双光子聚合（Two Photon Polymerizations, TPP）这一3D打印方法制备弹簧结构。然而，实现高性能3D结构微纳弹簧是一个极大的挑战，为了得到更优的探测极限，对弹簧几何参数的要求异常苛刻，常用的加工工艺无法保证结构的稳定。为了解决该问题，仇旻团队改进了TPP的后处理工艺，仔细选用了低表面张力清洗剂以降低液体蒸发时毛细力对结构的破坏作用。在光纤端面加工得到的稳定弹簧结构如图2所示，其弹性系数k为44.5 pN/nm。

图2：加工工艺优化

图源：Advanced Materials  

器件标定

常用原位力学测量设备的测量精度大多为纳牛量级，很难对该弹簧传感器进行精确标定。为此，团队采用了如图3所示的标定过程。实验上，不同直径的标准SiO2微球被转移到弹簧平板表面，微球的重力会使弹簧产生压缩。由此，可得到光谱漂移量和压缩重量间的对应关系，即可准确定标。配合于高精度光谱仪，弹簧基光纤传感器的灵敏度和探测极限分别为0.436 nm/nN和40.0 pN。

图3：器件标定过程

图源：Advanced Materials

非线性气流力探测

为进一步展示弹簧光纤传感器在微小力探测方面的优势，论文作者演示了传感器测量微弱气流力的应用，在实验中观测到了气流力随气压非线性变化的趋势，数据如图4所示。实验中得到的气流力大小及变化趋势与与CFD仿真结果相符。

图4：传感器测得的非线性气流力。

图源：Advanced Materials

未来展望

该传感器有望被应用于多领域。例如，扫描式弹簧光纤传感器可被应用在薄膜杨氏模量及生物力学的精密传感领域，“非接触”探测模式可为湍流、光力等领域提供新思路。

此外，伴随着未来3D结构设计加工方法的升级，传感器的探测精度可能被进一步提升。

审核编辑：黄飞