西湖大学：实现微牛顿级别的高精度力测量, 基于3D打印的新型光纤集成力传感器的开发

微结构设计能够优化传感器内部的应力分布，增加有效接触面积，从而提高传感器的响应速度和检测范围。3D打印技术可以精确地制造出这些微结构，充分发挥其在性能优化方面的作用。”

在当今科学研究中，微观力测量技术的精确性对各个领域具有深远影响。西湖大学的Xinggang Shang及其所在团队在《Advanced Materials》期刊上发表了一篇新研究，该研究展示了一种新型光纤集成力传感器的开发，该传感器能够实现微牛顿级别的高精度力测量，具体表现为40.0 ± 0.7 pN的灵敏度。

该研究的核心目的在于克服当前力测量技术所面临的诸多挑战。传统的力测量工具，如原子力显微镜（AFM）和微电机械系统（MEMS/NEMS），通常存在高成本、复杂检测系统及电磁兼容性差等问题。因此，这项研究旨在以更加通用、低成本的方式，开发出具备高灵敏度和高分辨率的微观力传感器。

该传感器的设计基于3D打印的弹簧型Fabry-Perot腔体，利用修改后的光聚合技术（TPP）制造。研究团队有效地提升了弹簧的精度，使其在微米范围内的力测量灵敏度达到了44.5 pN/nm，并且能够在极小的位移范围内进行精确测量（灵敏度为0.436 ± 0.007 nm/nN）。这种高分辨率的力传感器在纤维基础上进行创制，具有显著的结构稳定性和良好的使用性能。

研究团队使用Nanoscribe公司的设备进行高精度3D打印。利用该设备，团队成功地制造出了能够满足光纤集成力传感器要求的复杂结构。由于Nanoscribe的设备具有极高的分辨率和灵活性，能够层层打印出精确的三维弹簧结构，确保了传感器在微观力检测中的超高灵敏度和分辨率。

Nanoscribe 的双光子灰度光刻技术 (2GL) 是微纳 3D 制造领域的革命性突破。该技术融合灰度光刻与双光子聚合的优势，实现了对微结构及其表面的精确控制，提供前所未有的设计自由度。2GL 能够制造超光滑的球面/非球面微透镜、锐利平面结构和高纵横比自由曲面微光学器件，甚至可制作衍射/折射混合光学元件。 Nanoscribe 的 2GL 技术受中国国家专利保护（专利号：CN110573291B）。

为了验证传感器的性能，研究团队采用了不同直径的硅微球作为标准重量进行校准。研究表明，该传感器在微牛顿级别的检测中表现出色，其灵敏度和分辨率远超市场上现有的光纤传感器。这种微型传感器的成功校准和测试结果，为今后类似应用场景中的广泛推广奠定了基础。

尽管研究取得了显著进展，尚兴刚教授和他的团队在研究过程中也遭遇到了诸多困难，包括制造技术的挑战和灵敏度提升的难题。3D打印过程中，为了保护复杂的三维结构，研究小组必须使用特定的清洗液以避免因表面张力导致的结构变形。通过观察和优化材料以及打印参数，研究人员逐步克服了这些问题，为高端设备的最终成型提供了保障。

未来，该传感器具有广泛的应用潜力。具体而言，它能够在诸如流体力学、生物传感等领域发挥重要作用。特别是在生物医学研究中，该传感器可用于细胞质量变化、细胞间相互作用和生物样本分析等微观力测量，以提供更高的准确性和敏感度。此外，传感器在流体动力学中的应用，能够帮助研究人员更好地理解微观流动现象。

这项研究不仅为微观力传感器的开发提供了新思路，还为光纤以及相关纳米技术在微观测量中的广泛应用展示了前景。通过不断的优化和技术进步，未来的力传感器将能够在更广泛的科学研究和工程应用中占据重要位置。

来源：网易