研究人员已经开发出一种微型光纤测力传感器可测量极小力,对医疗到制造业都有用

研究人员已经开发出一种微型光纤测力传感器,可以测量由小物体施加的极小力。新型基于光的传感器克服了基于微机电传感器(MEMS)力传感器的局限性,对于从医疗系统到制造业的应用都可能有用。

斯洛文尼亚马里博尔大学的研究小组负责人丹尼斯·唐拉吉奇说:“力传感的应用很多,但缺乏能够对小物体进行力测量的微型和多功能力传感器。” “我们的传感器是迄今为止设计的最小,用途最广泛的光纤力传感器之一,有助于满足这一需求。”

在光学协会(OSA)的Optics Letters杂志中,Donlagic和Simon Pevec描述了他们的新传感器,该传感器是由石英玻璃制成的圆柱体,圆柱体长800微米,直径100微米-与人类头发的直径大致相同。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,证明了其以比微牛顿更好的分辨率测量力的能力。

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。” 。

创建全玻璃传感器

尽管基于MEMS的传感器可以提供微型力传感功能,但是由于它们需要专用的保护性包装和多个电气连接,因此其应用受到了限制。如果没有适当的包装,MEMS器件也不具有生物相容性,也无法浸入水中。

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全光纤传感器。研究人员先前开发出一种复杂的蚀刻工艺,以制造复杂的全纤维微结构,从而使这项复杂的工作成为可能。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腔。

传感器的引出光纤的末端与薄而柔软的二氧化硅膜片一起用于制造微型干涉仪。当外力施加到末端带有圆形或圆柱形力感测探针的硅胶柱上时,它将以亚纳米分辨率测量的方式改变干涉仪的长度。

研究人员已经开发出一种微型光纤测力传感器可测量极小力,对医疗到制造业都有用

光纤探头

传感器结构制造方式形成了一个气密腔,可以防止污染,并适合在生化环境中使用。它不仅可以浸入各种液体中,而且还可以测量正向和负向力,并且在大多数应用中不需要任何其他包装。

测量微小的力

在对传感器进行评估和校准后,研究人员使用它来测量人头发和普通蒲公英种子的杨氏模量(一种硬度的度量)。他们还通过测量从液体中取出微型圆筒时的回缩力来测量液体的表面张力。研究人员能够以约0.6微牛顿的分辨率和约0.6毫牛顿的力范围测量力。

Donlagic说:“测力探头可以做得更小-直径可以减小到大约10微米-并且可以执行各种测力任务。” “微型力传感器还可用于创建更复杂的传感器,例如测量磁场和电场或确定表面张力或液体流量的传感器。”

研究人员说,该传感器的当前版本已准备就绪。但是,提高过载的鲁棒性,生产其他形状的探针或增加小型化包装都可以进一步扩大潜在应用范围。研究人员还在努力将制造传感器的过程自动化,使其更加实用。

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