可勘探非线性气流力的皮牛级光纤微力传感

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  在微纳规范，完成细小力的精确丈量对许多学科的前沿探究有很大的推进效果。微力的中心原则为器材尺度及传感性能与运用场景的适配。其间，在精确判别微观物理进程中细小力的效果时，传感器的丈量精度特别的重要。 现在已有的、AFM等，其一般是为特定用处而开发的，价格昂扬，运用杂乱，不能和柔性、可穿戴等场景相交融。

  光纤力学传感器具有柔性、抗电磁干扰、全光集成等杰出优势，为处理以上问题供给了新的思路。所以，开发高性能、低成本、易于运用且通用的光纤传感器具有极大含义。

  传统光纤力学传感器一般用光纤拼接微腔、光纤布拉格光栅、悬臂梁等办法来进行力学传感。考虑到上述传感单元力学活络度的约束，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等还有不小的距离。

  高活络力学单元的光纤集成化是其间的一大技能难点。近年来，研究人员提出了3D微结构增强器材活络度的新方案，但在3D结构规划及高精度微纳加工两方面还存在显着缺乏，这极大地约束了光纤传感器在高精度力学勘探范畴的运用。

  近来，西湖大学仇旻教授课题组运用微纳绷簧这一力学单元，所制备的光纤力学传感器到达了皮牛精度。此外，团队还展现了该传感器在勘探非线性气流力方面的运用。

  该团队选用了三绷簧平板结构作为力学传感单元，其传感原理如图1所示，把绷簧集成在光纤端面，天然形成了法布里-珀罗（Fabry-Perot, FP）腔，反射到光纤纤芯的光叠加发生干与光谱。光谱波谷方位和腔长严密相关。试验上，经过一系列剖析光谱的漂移量，凭借结构紧缩量这一中心值，即可得到结构受力。

  试验上，该团队采取了双光子聚合（Two Photon Polymerizations, TPP）这一3D打印办法制备绷簧结构。但是，完成高性能3D结构微纳绷簧是一个极大的应战，为得到更优的勘探极限，对绷簧几许参数的要求反常严苛，常用的加工工艺没办法确保结构的安稳。未处理该问题，仇旻团队改进了TPP的后处理工艺，细心选用了低外表张力清洗剂以下降液体蒸腾时毛细力对结构的损坏效果。在光纤端面加工得到的安稳绷簧结构如图2所示，其弹性系数k为44.5 pN/nm。

  常用原位力学丈量设备的丈量精度大多为纳牛量级，很难对该绷簧传感器进行精确标定。为此，团队选用了如图3所示的标定进程。试验上，不同直径的规范SiO2微球被转移到绷簧平板外表，微球的重力会使绷簧发生紧缩。由此，可得到光谱漂移量和紧缩分量间的对应联系，即可精确定标。配合于高精度光谱仪，绷簧基光纤传感器的活络度和勘探极限分别为0.436 nm/nN和40.0 pN。

  为进一步展现绷簧光纤传感器在细小力勘探方面的优势，论文作者演示了传感器丈量弱小气流力的运用，在试验中观测到了气流力随气压非线性改变的趋势，数据如图4所示。试验中得到的气流力巨细及改变趋势与与CFD仿真成果相符。

  该传感器有望被运用于多范畴。例如，扫描式绷簧光纤传感器可被运用在薄膜杨氏模量及生物力学的精细传感范畴，“非触摸”勘探形式可为湍流、光力等范畴供给新思路。

  此外，伴随着未来3D结构规划加工办法的晋级，传感器的勘探精度或许被进一步提高。

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