微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化傳感器內(nèi)部的應(yīng)力分布，增加有效接觸面積，從而提高傳感器的響應(yīng)速度和檢測(cè)范圍。3D打印技術(shù)可以精確地制造出這些微結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮其在性能優(yōu)化方面的作用?！?/p>

在當(dāng)今科學(xué)研究中，微觀力測(cè)量技術(shù)的精確性對(duì)各個(gè)領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)影響。西湖大學(xué)的Xinggang Shang及其所在團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》期刊上發(fā)表了一篇新研究，該研究展示了一種新型光纖集成力傳感器的開發(fā)，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)微牛頓級(jí)別的高精度力測(cè)量，具體表現(xiàn)為40.0 ± 0.7 pN的靈敏度。

該研究的核心目的在于克服當(dāng)前力測(cè)量技術(shù)所面臨的諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的力測(cè)量工具，如原子力顯微鏡（AFM）和微電機(jī)械系統(tǒng)（MEMS/NEMS），通常存在高成本、復(fù)雜檢測(cè)系統(tǒng)及電磁兼容性差等問題。因此，這項(xiàng)研究旨在以更加通用、低成本的方式，開發(fā)出具備高靈敏度和高分辨率的微觀力傳感器。

該傳感器的設(shè)計(jì)基于3D打印的彈簧型Fabry-Perot腔體，利用修改后的光聚合技術(shù)（TPP）制造。研究團(tuán)隊(duì)有效地提升了彈簧的精度，使其在微米范圍內(nèi)的力測(cè)量靈敏度達(dá)到了44.5 pN/nm，并且能夠在極小的位移范圍內(nèi)進(jìn)行精確測(cè)量（靈敏度為0.436 ± 0.007 nm/nN）。這種高分辨率的力傳感器在纖維基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)制，具有顯著的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和良好的使用性能。

研究團(tuán)隊(duì)使用Nanoscribe公司的設(shè)備進(jìn)行高精度3D打印。利用該設(shè)備，團(tuán)隊(duì)成功地制造出了能夠滿足光纖集成力傳感器要求的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。由于Nanoscribe的設(shè)備具有極高的分辨率和靈活性，能夠?qū)訉哟蛴〕鼍_的三維彈簧結(jié)構(gòu)，確保了傳感器在微觀力檢測(cè)中的超高靈敏度和分辨率。

Nanoscribe 的雙光子灰度光刻技術(shù) (2GL) 是微納 3D 制造領(lǐng)域的革命性突破。該技術(shù)融合灰度光刻與雙光子聚合的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微結(jié)構(gòu)及其表面的精確控制，提供前所未有的設(shè)計(jì)自由度。2GL 能夠制造超光滑的球面/非球面微透鏡、銳利平面結(jié)構(gòu)和高縱橫比自由曲面微光學(xué)器件，甚至可制作衍射/折射混合光學(xué)元件。 Nanoscribe 的 2GL 技術(shù)受中國國家專利保護(hù)（專利號(hào)：CN110573291B）。

為了驗(yàn)證傳感器的性能，研究團(tuán)隊(duì)采用了不同直徑的硅微球作為標(biāo)準(zhǔn)重量進(jìn)行校準(zhǔn)。研究表明，該傳感器在微牛頓級(jí)別的檢測(cè)中表現(xiàn)出色，其靈敏度和分辨率遠(yuǎn)超市場(chǎng)上現(xiàn)有的光纖傳感器。這種微型傳感器的成功校準(zhǔn)和測(cè)試結(jié)果，為今后類似應(yīng)用場(chǎng)景中的廣泛推廣奠定了基礎(chǔ)。

盡管研究取得了顯著進(jìn)展，尚興剛教授和他的團(tuán)隊(duì)在研究過程中也遭遇到了諸多困難，包括制造技術(shù)的挑戰(zhàn)和靈敏度提升的難題。3D打印過程中，為了保護(hù)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，研究小組必須使用特定的清洗液以避免因表面張力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形。通過觀察和優(yōu)化材料以及打印參數(shù)，研究人員逐步克服了這些問題，為高端設(shè)備的最終成型提供了保障。

未來，該傳感器具有廣泛的應(yīng)用潛力。具體而言，它能夠在諸如流體力學(xué)、生物傳感等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。特別是在生物醫(yī)學(xué)研究中，該傳感器可用于細(xì)胞質(zhì)量變化、細(xì)胞間相互作用和生物樣本分析等微觀力測(cè)量，以提供更高的準(zhǔn)確性和敏感度。此外，傳感器在流體動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用，能夠幫助研究人員更好地理解微觀流動(dòng)現(xiàn)象。

這項(xiàng)研究不僅為微觀力傳感器的開發(fā)提供了新思路，還為光纖以及相關(guān)納米技術(shù)在微觀測(cè)量中的廣泛應(yīng)用展示了前景。通過不斷的優(yōu)化和技術(shù)進(jìn)步，未來的力傳感器將能夠在更廣泛的科學(xué)研究和工程應(yīng)用中占據(jù)重要位置。

來源：網(wǎng)易