生物醫學和材料力學等眾(zhong) 多研究領域都需要直接或間接地控製和測量作用在微小物體(ti) 上的力。然而，受限於(yu) 機械反饋機製和有源元件的存在，繼續縮小力學傳(chuan) 感器尺寸和提高力學檢測精度遇到了瓶頸。研製一種光纖型的微型微力傳(chuan) 感器具有重要研究價(jia) 值，在細胞實時監測、微創探測和組織活體(ti) 彈性成像等領域具有極大的應用潛力。

近日，深圳大學王義(yi) 平教授團隊的廖常銳等人在國際頂尖學術期刊Light: Science & Applications發表最新研究成果。該團隊基於(yu) 結構力學原理研發了一種微型光纖微力傳(chuan) 感器，實現了納牛頓（nN）級微弱力的測量，並將其用於(yu) 生物樣品檢測。研究人員采用飛秒激光誘導的雙光子聚合（TPP）3D微打印技術首次在單模光纖端麵成功打印出固支梁探針型微力傳(chuan) 感器。這種全光纖微力傳(chuan) 感器的力學靈敏度高達1.51 nm/μN，實現了光纖微力傳(chuan) 感方向的最高檢測下限（54.9 nN）；利用傳(chuan) 感器成功測量獲得PDMS（聚二甲基矽氧烷）、蝴蝶觸角和人類頭發的楊氏模量。

圖1 a光纖端麵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麵上受壓和釋放時的光學顯微鏡圖。

在微觀世界中，如果接觸力得不到可靠的檢測和有效的控製，微觀物體(ti) 很容易損壞。例如，在醫療心髒導管插入術中，醫生必須了解導管與(yu) 血管壁之間的接觸力，以避免在插入過程中損壞患者的血管網絡。此外，許多其他領域，如微係統、生物樣品檢測、微流控、微組裝和材料科學，都需要高靈敏度的微力傳(chuan) 感器。

在過去的幾十年中，基於(yu) 微機電係統（MEMS）的各種電容式力傳(chuan) 感器、壓電式力傳(chuan) 感器等都得到了飛速發展。MEMS微力傳(chuan) 感器可以提供高測量分辨率和大測量範圍，但受限於(yu) 封裝方式其結構尺寸較大，並且易受環境電磁場幹擾，在許多應用中受到限製。與(yu) MEMS微力傳(chuan) 感器相比，光纖微力傳(chuan) 感器具有靈敏度高、柔韌性好、重量輕、體(ti) 積小、生物相容性好、抗電磁幹擾等眾(zhong) 多優(you) 點。

雙光子聚合（TPP）是一種由飛秒激光誘導的3D微打印技術，其打印精度可達100nm以下。其應用領域包括超材料、MEMS、微流控和生物醫學等。理想情況下，TPP技術可用於(yu) 製造任意形狀的微納結構，即使是微仿生或微磁驅動器件等采用傳(chuan) 統加工方式難以製造出的微結構，也可以利用雙光子聚合技術實現，具有良好的應用前景。通過TPP技術與(yu) 光纖器件的完美結合，可以開發出各種各樣的新型光纖微結構傳(chuan) 感器，從(cong) 材料體(ti) 係和結構體(ti) 係兩(liang) 方麵發展光纖傳(chuan) 感器，拓展其應用領域。

研究人員製備了不同高度（15µm、30µm和50µm）的固支梁探針，並對比研究了其法珀幹涉光譜特性。三種高度固支梁探針的光學顯微鏡圖及其反射光譜如圖2a所示。隨著基座高度的增加，固支梁和光纖端麵仍能保持平行。此外，聚合物固支梁探針具有較高的幹涉光譜對比度（>15dB）。以上特征表明TPP打印的光纖端麵固支梁探針具有優(you) 秀的光學性能。

為(wei) 了研究該傳(chuan) 感器的力學傳(chuan) 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）的力學分析模型，仿真結果如圖 2b-e所示。結果表明：在相同的微力作用下，探針直徑越小，法珀腔的腔長壓縮越顯著，即減小探針直徑可以有效提高傳(chuan) 感器的力學靈敏度。綜合考慮傳(chuan) 感器的力學靈敏度和探針機械強度，優(you) 化的探針直徑為(wei) 5 μm。

圖2 a不同基座高度的固支梁探針的光學顯微鏡圖及其法珀幹涉光譜。b、c、d相同微力（1 μN）作用於(yu) 不同直徑探針的彎曲變形仿真結果。e相同微力下探針直徑與(yu) 固支梁彎曲變形的關(guan) 係。

研究人員對光纖端麵固支梁探針逐漸施加外力，並實時監測其反射光譜。當以300 nN 的增量從(cong) 0 nN逐漸增加到2700nN時，光纖端麵固支梁探針的反射光譜演變如圖3a所示，從(cong) 圖中可以看出反射譜的Dip波長隨著微力的增加而逐漸藍移。Dip波長與(yu) 施加力的關(guan) 係如圖5b所示，利用線性擬合計算出該光纖微力傳(chuan) 感器的力學靈敏度高達-1.51nm/μN，成功建立了施加力和傳(chuan) 感器輸出之間的線性關(guan) 係，完成了傳(chuan) 感器的微力標定。

圖3 a逐漸增加施加力時傳(chuan) 感器反射光譜的演變過程。b Dip波長與(yu) 施加力的線性關(guan) 係曲線。c基於(yu) 有限元的變形分布仿真結果。

研究人員利用該光纖微力傳(chuan) 感器對多種材料（PDMS、蝴蝶觸角和成年女性頭發）的楊氏模量進行了檢測。固支梁探針壓PDMS前後的反射光譜如圖4c所示，根據反射光譜的測量結果，並結合材料力學方程，可計算出PDMS的楊氏模量為(wei) 4.8MPa。利用原子力顯微鏡對相同PDMS樣品進行力學測試，得到其楊氏模量平均值為(wei) 5.11MPa（圖4a），光纖微力傳(chuan) 感器的測量結果與(yu) 原子力顯微鏡結果基本一致，驗證了該光纖微力傳(chuan) 感器的可靠性。研究人員利用相同方法成功測量了蝴蝶觸角和成年女性頭發的楊氏模量，蝴蝶觸角的測量結果如圖4b所示。

圖4 a原子力顯微鏡測量的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圖。c PDMS偏轉20μm時，傳(chuan) 感器反射光譜的演變過程。d蝴蝶觸角偏轉150μm時，傳(chuan) 感器反射光譜的演變過程。

本研究提出的光纖微力傳(chuan) 感器具有靈敏度高、檢測下限高、結構緊湊、生物兼容和全光纖集成等眾(zhong) 多優(you) 點，在材料力學性能研究和生物樣品檢測方麵具有廣闊的應用前景。該方法不僅(jin) 為(wei) 實現微型原子力顯微鏡係統提供了新方案，更是為(wei) 光纖集成聚合物微納傳(chuan) 感器研究提供了新思路。在未來，我們(men) 將繼續研究改進光纖微力傳(chuan) 感器的各項性能，拓展該傳(chuan) 感器在生物力學檢測領域的潛在應用。

本文第一作者為(wei) 深圳大學物理與(yu) 光電工程學院博士研究生鄒夢強，深圳大學物理與(yu) 光電工程學院的廖常銳教授和王義(yi) 平教授為(wei) 共同通訊作者。

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