我国学者3D打印出光纤型微力传感器实现纳牛顿级微弱力测量

在国家自然科学基金项目（批准号：62075136、62005173）等资助下，深圳大学廖常锐教授、王义平教授团队与合作者研制出一种光纤型微力传感器，实现了纳牛顿（nN）级微弱力的测量。研究成果以“用于高灵敏度纳米力测量的光纤端面聚合物固支梁探针(Fiber-tip polymer clamped-beam probe for high-sensitivity nanoforcemeasurements)”为题，于2021年8月27日发表在《光：科学与应用》(Light: Science &Applications)上。

随着器件小型化的发展，微操作引起人们极大的关注。在微观世界中，如果接触力得不到可靠的检测和有效的控制，微观物体很容易损坏。尤其在细胞检测、组织成像和微创探测等领域，迫切需要精确控制和测量作用在微小物体上的微弱力。然而，传统的基于微机电系统（MEMS）的微力传感器受限于结构封装和电学解调方式，其结构尺寸较大、检测精度较低且易受环境电磁场干扰，继续缩小力学传感器尺寸并提高力学检测精度是研发小型化微力传感器面临的巨大挑战。

针对这一挑战，该研究团队采用飞秒激光双光子聚合纳米光刻技术，首次在单模光纤端面3D打印出基于微米尺寸固支梁探针的微力传感结构。该结构中，光纤端面与固支梁构成光学法-珀微腔，通过对法-珀微腔白光干涉光谱解调获得施加力和传感器输出之间的线性关系，并利用固支梁探针的结构紧凑、低刚度和高弹性，使光纤微力传感的力学检测灵敏度高达1.51 nm/μN、检测下限低至54.9 nN。进一步，他们利用该传感器实现了对聚二甲硅氧烷（PDMS）材料样本和蝴蝶触角等生物样本杨氏模量的精确测量（图1）。

该项研究工作不仅为实现微型原子力显微镜系统提供了新方案，更为光纤集成聚合物微纳传感器研究提供了新思路，在材料力学性能研究和生物样品检测方面具有广阔的应用前景。

图1 光纤型微力传感器结构特征与力学传感应用。a光纤型微力传感器结构原理图；b光纤端面固支梁探针扫描电镜图；c PDMS被推压20μm时，传感器反射光谱的演变过程；d 原子力显微镜测量的PDMS杨氏模量分布图；e 固支梁探针推压蝴蝶触角的显微观测图

图2 微力传感器的结构特征和静态性能。a 不同高度的夹持光束探头的光学显微镜图像及其相应的反射光谱。b-d是传感器在相同的微力（1μN）作用下的弯曲变形模拟结果。e 在相同的微力（1μN）作用于不同直径（10、5和3μm）的探头上，探头直径和弯曲变形之间的关系。

图4 实验装置。 a 测量系统装置；插图 b 悬臂梁在点负荷下的挠度示意图

图9 器件的制造过程。 a 将一滴光刻胶溶液滴入SMF的端面，并将盖玻片压在光纤的一侧。b 飞秒激光在光纤端面聚合了一个钳形光束探针结构，并将盖玻片压在光纤一侧，以防止光刻胶在聚合过程中流动。c 取下光纤顶部的盖玻片，用丙酮和异丙醇组成的清洗液清洗未固化的光刻胶。d TPP微纳加工的光路示意图