弹簧秤是一种宏观尺度的测力计，人们经常用它来称量各种果蔬、商品等。如果将尺寸缩小至微纳尺度，是否有可能像弹簧秤那样有标定地对微小力进行“称量”呢？
这需要大幅度降低传感器的探测极限，对器件的精密性提出了极高的要求。在以往研究中，科学家们往往通过优化结构本身的机械性能来解决该问题。
近期，西湖大学与国科大杭州高等研究院团队合作，另辟蹊径地从优化加工工艺的角度出发，制备出一种新型光纤弹簧传感器。
该研究中所能加工出最优弹簧的弹性系数 k 降至 44.5pN/nm，灵敏度相较已报道文献的结果高出 4 个数量级，探测极限达 40 皮牛（pN，10-12N），可与大多数微机电系统器件相媲美。
图丨西湖大学仇旻实验室（来源：该实验室）
皮牛级光纤传感器有望对提升传感器精度开拓新的思路，并在应用层面对很多学科具有参考意义。例如，扫描式弹簧光纤传感器有望被应用在薄膜杨氏模量测量及生物力学传感等领域，“非接触”探测模式在湍流探测、光力测量等领域具有应用价值。
该研究中关于制备方面的分析和探索，可被应用于其他复杂 3D 结构的加工，提高 3D 结构在其他应用场景下的性能。
此外，在解释微纳尺度物理现象时，微小力的精密测量是重要的参考之一。在该研究中，光纤传感器还被应用于微观气流力测量领域。
得益于该传感器的高精度，研究人员在实验中捕获到出气口附近气流力随气压的非线性变化过程，体现了高精度力学传感器在感知微观物理现象的潜力。
西湖大学国强讲席教授仇旻指出，“我们期待皮牛级光纤传感器被应用于多学科的基础研究探索，通过力学传感的方式可能会发现越来越多的物理现象，未来通过精密力学测量有望对基础科学的探索做出贡献。”
审稿人对该研究评价道：“仇旻等人提出了一项有趣的研究，将纳米力学、增材制造和光子学相结合，实现了皮牛级光纤端面力学传感器。该研究是纳米机械工程领域很好的范例，具有重要的基础研究相关性和应用潜力。”
图丨相关论文（来源：Advanced Materials）
近日，相关论文以《基于 3D 弹簧法布里-珀罗腔的皮牛级光纤微力传感器》（Fiber-Integrated Force Sensor using 3D Printed Spring-Composed Fabry-Perot Cavities with a High Precision Down to Tens of Piconewton）为题发表在Advanced Materials[1]。
西湖大学博士生尚兴港为论文第一作者，国科大杭州高等研究院副研究员王宁（原仇旻教授课题组博士后）、西湖大学特聘研究员周南嘉、西湖大学国强讲席教授仇旻为论文共同通讯作者。
如何在微纳尺度测量微小力？
在微纳尺度测量微小力的主要难点在于，传感精度、通用性与使用场景的同时适配。例如，微机电系统、原子力显微镜等虽具有皮牛级的高精度，但通常为特定用途而开发，存在价格高昂、使用复杂、通用性受限、不能和柔性及可穿戴等场景相融合等问题。
另一方面，测量微小形变的技术有很多，比如直接成像式、电容式、电阻式、光学测距式等。其中，直接成像式测量设备简单，可实现原位实时观测，然而该技术测量精度受限于衍射极限；电学测试法信号准确、灵敏度极高、探测极限高，但它极易受到电磁信号干扰。
光纤基微力传感器具有柔性、全光集成、抗电磁干扰等突出优势，为解决上述问题提供了新思路。传统光纤力学传感器一般使用光纤拼接微腔、光纤布拉格光栅、悬臂梁等方式进行力学传感，已被应用于诸多领域。
然而，考虑到这些传感单元力学灵敏度的限制，精度大多在纳牛量级，无法进行高精度力学探测。其中，技术难点在于高灵敏微纳 3D 结构的精密加工，极大地限制了光纤传感器在高精度力学探测领域的应用。
仇旻实验室聚焦光学器件及技术，具有丰富的光纤器件设计及制备经验。在该工作中，他们选择直面光纤传感器在 3D 结构精密设计及加工方面的难题，从优化制备工艺出发降低传感器探测极限，解决该领域的痛点问题。
让弹簧秤在微观尺度“大显身手”
该研究的基本原理简单，用到的是大学物理中学到的“干涉”。当光经过两种介质的界面时，会发生反射和透射现象。由此可构建两个光学界面，让两层界面处的反射光产生干涉叠加的作用。
此时，特定波长的光“干涉相消”，特定波长的光“干涉相长”，所以产生了震荡形的光谱，光谱波谷中心波长和两层界面的间距密切相关。
当螺旋平板结构设计到光纤端面时，平板及光纤端面自然形成了上述两个光学界面，自然形成了法布里-珀罗（Fabry-Perot, FP）腔。研究人员在实验中，利用分析光谱的漂移量，在结构压缩量这一中间数值的帮助下得到结构受力。
图丨弹簧光纤微力传感器原理（来源：Advanced Materials）
该课题来源于王宁与尚兴港的一次研究讨论，他们提出，“既然宏观弹簧秤在日常生活中如此常见，我们也想让它在微观尺度大显身手。”经过文献调研，他们发现已经有一些研究人员关注到微纳弹簧秤的概念，但已报道的器件性能还远低于其他类型的传感器。
为解决光纤传感器精度不足的问题，该项包含了光学、微纳力学、微纳增材制造和流体力学的交叉课题逐渐清晰起来。
层层剥茧：实现高性能 3D 结构微纳弹簧
经过该团队的前期讨论及实验探索，研究人员迎来两个最关键挑战：对制备工艺的优化以及对器件性能的标定。
在对制备工艺的优化方面，他们在实验上选用双光子聚合 3D 加工法来制备弹簧结构。然而，实现高性能 3D 结构微纳弹簧是一个极大的挑战，如果想得到更优的探测极限，就要最大程度上满足对弹簧几何参数的苛刻要求。
而常规加工流程中经常出现显影、清洗等后处理工艺导致结构倒塌的问题。为此，在阅读大量有关 3D 微纳加工的文献后，研究人员找到了结构倒塌的核心原因——毛细力。
图丨优化前后的光纤端面双光子聚合打印结果对比（来源：Advanced Materials）
随后，经过一年多的工艺探索，他们从毛细力产生的原理和过程出发，改进了液体挥发时结构受力的力学模型[2]，最终采用低表面张力清洗剂的方案。
虽然弹簧结构在最初设计的图纸上存在已久，但当课题组成员第一次在电镜下看到结构完整、稳定的弹簧时，还是感觉很震撼。仇旻表示，“这不但说明整条设计路线的可行性，更肯定了我们在加工优化方面一年多的努力。”
图丨通过微粒重量传感进行传感器校准（来源：Advanced Materials）
此外，对器件性能的标定也是一大难题。常用的测量系统难于适配微纳弹簧的尺度及力学特性，于是他们采取了微米颗粒标定的方式。
“我们可以把微纳弹簧类比于宏观的弹簧秤，此时，微米颗粒类似于宏观尺度中砝码的角色。通过不同粒径颗粒的测试，我们得到了弹簧的力曲线，进而分析获得器件的灵敏度和探测极限。”尚兴港表示。
图丨尚兴港（来源：尚兴港）
在周南嘉实验室陈何昊博士的帮助下，研究人员在使用微针头转移微米颗粒时突发奇想：如果将针头处的气流作用到结构表面会发生什么？
经进一步探究后，他们发现了一个“意外的收获”，气流力不但可以被传感器感知到，气流力与气压间还存在一种非线性的变化趋势。
“我们带着数据向西湖大学范迪夏教授请教后，开始尝试从仿真上解释该实验现象。最终，得到的计算流体力学仿真结果与实验保持一致，这项实验很好地证明了高精度传感器的优势。”王宁说。
将继续拓展弹簧传感器的应用场景
西湖大学仇旻教授实验室长期开展交叉学科的基础与应用基础研究，包括光电、材料、能源、机械、化学等，主要研究方向为先进微纳加工技术、微纳光子理论及光电器件、关键光学理论及技术等。
此前，该实验室已经对微纳弹簧的力学性能做了系统的研究，探索弹性系数和结构尺寸的关系以及弹簧性能的稳定性[3]。
在华东理工大学贾云飞教授课题组的帮助下，对微纳弹簧进行原位力学性能测试，正是这些早期的数据支撑了做高性能传感器的想法。
前期通过改进光纤端面双光子聚合加工的流程，设计适配光纤的专用夹具，极大地简化了实验工序，同时提高了加工的成功率。基于该加工技术，他们陆续研发出光纤折射率传感器[4]及光纤温度传感器[5]，为这次新研究积累了相关的技术经验。
图丨各类传感器性能对比（来源：Advanced Materials）
据介绍，该团队将继续聚焦微纳仪器与微纳技术，更深入地探索设计及制备高性能传感器，并进一步拓展光纤弹簧传感器的应用场景，包括设计力学性能更佳的新型传感单元，开发更先进的 3D 结构加工技术，探究更好的光学传感原理等。
“高性能传感器是基础研究及应用研究的重要工具，我们期待未来能将它应用于第一线的科学研究，发现更多非线性气流力等有趣的物理现象。”仇旻最后说道。
参考资料：
1.Shang,X.,Wang,N. at al.Fiber-Integrated Force Sensor using 3D Printed Spring-Composed Fabry-Perot Cavities with a High Precision Down to Tens of Piconewton. Advanced Materials(2023).
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305121
2.Shang,X.et al. A dual-axis mechanical model for analyzing the capillary-force-induced clustering on periodic structures.Journal of Applied Physics 134,133105(2023).
https://doi.org/10.1063/5.0165881
3.Shang,X. et al. Customizable and highly sensitive 3D micro-springs produced by two-photon polymerizations with improved post-treatment processes.Applied Physics Letters 120, 171107 (2022).
https://doi.org/10.1063/5.0088481
4.Cao,S.,Shang,X. et al. Two-photon direct laser writing of micro Fabry-Perot cavity on single-mode fiber for refractive index sensing.Optics Express 30,14,25536-25543(2023). https://doi.org/10.1364/OE.464210
5.Cao,S.,Shang,X. et al. PDMS-filled micro-spring Fabry-Perot cavity for temperature sensing.Optics Express 31,19,30332-30339(2023).
https://doi.org/10.1364/OE.498537
