生物醫(yī)學(xué)和材料力學(xué)等眾多研究領(lǐng)域都需要直接或間接地控制和測(cè)量作用在微小物體上的力。然而，受限于機(jī)械反饋機(jī)制和有源元件的存在，繼續(xù)縮小力學(xué)傳感器尺寸和提高力學(xué)檢測(cè)精度遇到了瓶頸。研制一種光纖型的微型微力傳感器具有重要研究?jī)r(jià)值，在細(xì)胞實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、微創(chuàng)探測(cè)和組織活體彈性成像等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。

近日，深圳大學(xué)王義平教授團(tuán)隊(duì)的廖常銳等人在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Light: Science & Applications發(fā)表最新研究成果。該團(tuán)隊(duì)基于結(jié)構(gòu)力學(xué)原理研發(fā)了一種微型光纖微力傳感器，實(shí)現(xiàn)了納牛頓（nN）級(jí)微弱力的測(cè)量，并將其用于生物樣品檢測(cè)。研究人員采用飛秒激光誘導(dǎo)的雙光子聚合（TPP）3D微打印技術(shù)首次在單模光纖端面成功打印出固支梁探針型微力傳感器。這種全光纖微力傳感器的力學(xué)靈敏度高達(dá)1.51 nm/μN(yùn)，實(shí)現(xiàn)了光纖微力傳感方向的最高檢測(cè)下限（54.9 nN）；利用傳感器成功測(cè)量獲得PDMS（聚二甲基硅氧烷）、蝴蝶觸角和人類(lèi)頭發(fā)的楊氏模量。

圖1 a光纖端面固支梁探針掃描電鏡圖（SEM）。b和c分別是固支梁探針在光纖端面上受壓和釋放時(shí)的光學(xué)顯微鏡圖。

在微觀世界中，如果接觸力得不到可靠的檢測(cè)和有效的控制，微觀物體很容易損壞。例如，在醫(yī)療心臟導(dǎo)管插入術(shù)中，醫(yī)生必須了解導(dǎo)管與血管壁之間的接觸力，以避免在插入過(guò)程中損壞患者的血管網(wǎng)絡(luò)。此外，許多其他領(lǐng)域，如微系統(tǒng)、生物樣品檢測(cè)、微流控、微組裝和材料科學(xué)，都需要高靈敏度的微力傳感器。

在過(guò)去的幾十年中，基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的各種電容式力傳感器、壓電式力傳感器等都得到了飛速發(fā)展。MEMS微力傳感器可以提供高測(cè)量分辨率和大測(cè)量范圍，但受限于封裝方式其結(jié)構(gòu)尺寸較大，并且易受環(huán)境電磁場(chǎng)干擾，在許多應(yīng)用中受到限制。與MEMS微力傳感器相比，光纖微力傳感器具有靈敏度高、柔韌性好、重量輕、體積小、生物相容性好、抗電磁干擾等眾多優(yōu)點(diǎn)。

雙光子聚合（TPP）是一種由飛秒激光誘導(dǎo)的3D微打印技術(shù)，其打印精度可達(dá)100nm以下。其應(yīng)用領(lǐng)域包括超材料、MEMS、微流控和生物醫(yī)學(xué)等。理想情況下，TPP技術(shù)可用于制造任意形狀的微納結(jié)構(gòu)，即使是微仿生或微磁驅(qū)動(dòng)器件等采用傳統(tǒng)加工方式難以制造出的微結(jié)構(gòu)，也可以利用雙光子聚合技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具有良好的應(yīng)用前景。通過(guò)TPP技術(shù)與光纖器件的完美結(jié)合，可以開(kāi)發(fā)出各種各樣的新型光纖微結(jié)構(gòu)傳感器，從材料體系和結(jié)構(gòu)體系兩方面發(fā)展光纖傳感器，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

研究人員制備了不同高度（15μm、30μm和50μm）的固支梁探針，并對(duì)比研究了其法珀干涉光譜特性。三種高度固支梁探針的光學(xué)顯微鏡圖及其反射光譜如圖2a所示。隨著基座高度的增加，固支梁和光纖端面仍能保持平行。此外，聚合物固支梁探針具有較高的干涉光譜對(duì)比度（>15dB）。以上特征表明TPP打印的光纖端面固支梁探針具有優(yōu)秀的光學(xué)性能。

為了研究該傳感器的力學(xué)傳感性能，研究人員利用有限元方法建立了具有不同探針直徑（10μm、5μm和3μm）的力學(xué)分析模型，仿真結(jié)果如圖 2b-e所示。結(jié)果表明：在相同的微力作用下，探針直徑越小，法珀腔的腔長(zhǎng)壓縮越顯著，即減小探針直徑可以有效提高傳感器的力學(xué)靈敏度。綜合考慮傳感器的力學(xué)靈敏度和探針機(jī)械強(qiáng)度，優(yōu)化的探針直徑為5 μm。

圖2 a不同基座高度的固支梁探針的光學(xué)顯微鏡圖及其法珀干涉光譜。b、c、d相同微力（1 μN(yùn)）作用于不同直徑探針的彎曲變形仿真結(jié)果。e相同微力下探針直徑與固支梁彎曲變形的關(guān)系。

研究人員對(duì)光纖端面固支梁探針逐漸施加外力，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其反射光譜。當(dāng)以300 nN 的增量從0 nN逐漸增加到2700nN時(shí)，光纖端面固支梁探針的反射光譜演變?nèi)鐖D3a所示，從圖中可以看出反射譜的Dip波長(zhǎng)隨著微力的增加而逐漸藍(lán)移。Dip波長(zhǎng)與施加力的關(guān)系如圖5b所示，利用線性擬合計(jì)算出該光纖微力傳感器的力學(xué)靈敏度高達(dá)-1.51nm/μN(yùn)，成功建立了施加力和傳感器輸出之間的線性關(guān)系，完成了傳感器的微力標(biāo)定。

圖3 a逐漸增加施加力時(shí)傳感器反射光譜的演變過(guò)程。b Dip波長(zhǎng)與施加力的線性關(guān)系曲線。c基于有限元的變形分布仿真結(jié)果。

研究人員利用該光纖微力傳感器對(duì)多種材料（PDMS、蝴蝶觸角和成年女性頭發(fā)）的楊氏模量進(jìn)行了檢測(cè)。固支梁探針壓PDMS前后的反射光譜如圖4c所示，根據(jù)反射光譜的測(cè)量結(jié)果，并結(jié)合材料力學(xué)方程，可計(jì)算出PDMS的楊氏模量為4.8MPa。利用原子力顯微鏡對(duì)相同PDMS樣品進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，得到其楊氏模量平均值為5.11MPa（圖4a），光纖微力傳感器的測(cè)量結(jié)果與原子力顯微鏡結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了該光纖微力傳感器的可靠性。研究人員利用相同方法成功測(cè)量了蝴蝶觸角和成年女性頭發(fā)的楊氏模量，蝴蝶觸角的測(cè)量結(jié)果如圖4b所示。

圖4 a原子力顯微鏡測(cè)量的PDMS楊氏模量分布圖。b固支梁探針推壓蝴蝶觸角的顯微觀測(cè)圖。c PDMS偏轉(zhuǎn)20μm時(shí)，傳感器反射光譜的演變過(guò)程。d蝴蝶觸角偏轉(zhuǎn)150μm時(shí)，傳感器反射光譜的演變過(guò)程。

本研究提出的光纖微力傳感器具有靈敏度高、檢測(cè)下限高、結(jié)構(gòu)緊湊、生物兼容和全光纖集成等眾多優(yōu)點(diǎn)，在材料力學(xué)性能研究和生物樣品檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。該方法不僅為實(shí)現(xiàn)微型原子力顯微鏡系統(tǒng)提供了新方案，更是為光纖集成聚合物微納傳感器研究提供了新思路。在未來(lái)，我們將繼續(xù)研究改進(jìn)光纖微力傳感器的各項(xiàng)性能，拓展該傳感器在生物力學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

本文第一作者為深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院博士研究生鄒夢(mèng)強(qiáng)，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院的廖常銳教授和王義平教授為共同通訊作者。

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