Forskare har utvecklat en liten fiberoptisk kraftsensor som kan mäta extremt små krafter som utövas av små föremål. Den nya ljusbaserade sensorn övervinner begränsningarna för kraftsensorer baserade på mikroelektromekaniska sensorer (MEMS) och kan vara användbara för tillämpningar från medicinska system till tillverkning.

"Ansökningar om kraftavkänning är många, men det saknas grundligt miniatyr och mångsidiga kraftsensorer som kan utföra kraftmätningar på små föremål, "sade forskargruppens ledare Denis Donlagic från University of Maribor i Slovenien." Vår sensor hjälper till att tillgodose detta behov som en av de minsta och mest mångsidiga optiska fiberkraftsensorerna som hittills utformats. "

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver , Donlagic och Simon Pevec beskriver sin nya sensor, som är gjord av kiseldioxidglas format till en cylinder som bara är 800 mikron lång och 100 mikron i diameter - ungefär samma diameter som ett människohår. De visar den nya sensorns förmåga att mäta kraft med en upplösning bättre än en micronewton genom att använda den för att mäta styvheten hos ett maskrosfrö eller ytspänningen hos en vätska.

"Högupplöst kraftavkänning och brett mätområde kan användas för känslig manipulation och bearbetning av små föremål, ytspänningsmätningar på mycket små vätskemängder, och manipulera eller undersöka de mekaniska egenskaperna hos biologiska prover på cellnivå, sa Donlagic.

Skapar en helglas-sensor

Även om MEMS-baserade sensorer kan tillhandahålla miniatyrkraftsavkänningsmöjligheter, deras tillämpningar är begränsade eftersom de kräver applikationsspecifika skyddande förpackningar och flera elektriska anslutningar. Utan ordentlig förpackning, MEMS -enheter är inte heller biokompatibla och kan inte sänkas ner i vatten.

För att utveckla en mer mångsidig miniatyrkraftsensor, forskarna skapade en helt optisk fiberoptisk sensor helt tillverkad av glas. Det komplexa företaget möjliggjordes av en speciell etsningsprocess som forskarna tidigare hade utvecklat för att skapa komplicerade fibermikrostrukturer. De använde denna mikrobearbetningsprocess för att skapa en sensor baserad på en Fabry-Perot-interferometer-en optisk kavitet gjord av två parallella reflekterande ytor.

Änden av sensorns inledningsfiber tillsammans med ett tunt flexibelt kiseldioxidmembran användes för att skapa den lilla interferometern. När yttre kraft utövas på en kiseldioxidstolpe med antingen en rund eller cylindrisk kraftavkännande sond på änden, det ändrar interferometerns längd på ett sätt som kan mätas med subnanometerupplösning.

Sättet som sensorns strukturer tillverkades skapade en lufttät kavitet som är skyddad från föroreningar och kan användas i biokemiska miljöer. Det kan inte bara sänkas ned i en mängd olika vätskor, men det kan också mäta positiva och negativa krafter och behöver inte någon extra förpackning för de flesta applikationer.

Mät små krafter

Efter utvärdering och kalibrering av sensorn, forskarna använde den för att mäta Young modulus - ett mått på styvhet - av ett människohår och vanligt maskrosfrö. De mätte också ytspänningen hos en vätska genom att mäta indragningskraften när en miniatyrcylinder avlägsnades från en vätska. Forskarna kunde mäta kraft med en upplösning på cirka 0,6 mikronwton och ett kraftintervall på cirka 0,6 millinewtons.

"Kraftavkänningsspetsen kan göras väsentligt mindre - upp till cirka 10 mikron i diameter - och kan anpassas för att utföra olika kraftavkännande uppgifter, "sa Donlagic." Miniatyrkraftsensorn kan också användas för att skapa mer komplexa sensorer som sensorer som mäter magnetiska och elektriska fält eller bestämmer ytspänningen eller flödet av en vätska. "

Forskarna säger att den nuvarande versionen av sensorn är klar att användas. Dock, förbättrar överbelastningens robusthet, att producera sondspetsar med andra former eller lägga till miniatyriserade förpackningar kan ytterligare utöka potentiella applikationer. Forskarna arbetar också med att automatisera processerna som används för att tillverka sensorn för att göra den mer praktisk.