Forskere laver små, alligevel kompleks fiberoptisk kraftsensor

Forskere har udviklet en lille fiberoptisk kraftsensor, der kan måle ekstremt små kræfter, der udøves af små genstande. Den nye lysbaserede sensor overvinder begrænsningerne i kraftsensorer baseret på mikroelektromekaniske sensorer (MEMS) og kan være nyttig til applikationer fra medicinske systemer til fremstilling.

"Ansøgninger om kraftfølelse er mange, men der mangler grundigt miniature og alsidige kraftfølere, der kan udføre kraftmålinger på små genstande, "sagde forskerteamleder Denis Donlagic fra University of Maribor i Slovenien." Vores sensor hjælper med at imødekomme dette behov som en af ​​de mindste og mest alsidige optiske fiberkraftsensorer, der er designet indtil nu. "

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik bogstaver , Donlagic og Simon Pevec beskriver deres nye sensor, som er lavet af silicaglas formet til en cylinder, der bare er 800 mikron lang og 100 mikron i diameter - nogenlunde samme diameter som et menneskehår. De demonstrerer den nye sensors evne til at måle kraft med en opløsning bedre end en micronewton ved at bruge den til at måle stivheden af ​​et mælkebøttefrø eller overfladespændingen af ​​en væske.

"Kraftfølelsen med høj opløsning og det brede måleområde kan bruges til følsom manipulation og bearbejdning af små genstande, overfladespændingsmålinger på meget små mængder væske, og manipulere eller undersøge de mekaniske egenskaber af biologiske prøver på mobilniveau sagde Donlagic.

Oprettelse af en sensor i glas

Selvom MEMS-baserede sensorer kan levere miniatyrkraftføler, deres applikationer er begrænsede, fordi de kræver applikationsspecifik beskyttelsesemballage og flere elektriske forbindelser. Uden ordentlig emballage, MEMS -enheder er heller ikke biokompatible og kan ikke nedsænkes i vand.

For at udvikle en mere alsidig miniaturekraftsensor, forskerne skabte en heloptisk fiberoptisk sensor fuldstændig lavet af glas. Den komplekse virksomhed blev muliggjort af en særlig ætsningsproces, som forskerne tidligere havde udviklet til at skabe komplicerede fibermikrostrukturer. De brugte denne mikromaskineringsproces til at oprette en sensor baseret på et Fabry-Perot interferometer-et optisk hulrum lavet af to parallelle reflekterende overflader.

Enden af ​​sensorens indføringsfibre sammen med en tynd fleksibel silica-membran blev brugt til at skabe det lille interferometer. Når ekstern kraft udøves på en silica -stolpe med enten en rund eller cylindrisk kraftfølende sonde i enden, det ændrer interferometerets længde på en måde, der kan måles med subnanometeropløsning.

Måden sensorens strukturer blev fremstillet på, skabte et lufttæt hulrum, der er beskyttet mod forurening og kan bruges i biokemiske miljøer. Det kan ikke kun nedsænkes i en række forskellige væsker, men det kan også måle positive og negative kræfter og behøver ikke yderligere emballage til de fleste applikationer.

Måling af små kræfter

Efter evaluering og kalibrering af sensoren, forskerne brugte det til at måle Young modulus - et mål for stivhed - af et menneskehår og almindeligt mælkebøttefrø. De målte også overfladespænding af en væske ved at måle tilbagetrækningskraften, når en miniaturecylinder blev fjernet fra en væske. Forskerne var i stand til at måle kraft med en opløsning på omkring 0,6 mikronwton og et kraftområde på omkring 0,6 millinewtons.

"Kraftfølende spids kan gøres væsentligt mindre - ned til omkring 10 mikrometer i diameter - og kan tilpasses til at udføre forskellige kraftføleropgaver, "sagde Donlagic." Miniaturekraftsensoren kan også bruges til at oprette mere komplekse sensorer, såsom sensorer, der måler magnetiske og elektriske felter eller bestemmer overfladespænding eller strømning af en væske. "

Forskerne siger, at den aktuelle version af sensoren er klar til brug. Imidlertid, forbedring af overbelastningens robusthed, fremstilling af probespidser med andre former eller tilføjelse af miniaturiseret emballage kan yderligere udvide potentielle applikationer. Forskerne arbejder også på at automatisere de processer, der bruges til at fremstille sensoren, for at gøre den mere praktisk.