彈簧秤是一種宏觀尺度的測(cè)力計(jì)，人們經(jīng)常用它來(lái)稱(chēng)量各種果蔬、商品等。如果將尺寸縮小至微納尺度，是否有可能像彈簧秤那樣有標(biāo)定地對(duì)微小力進(jìn)行“稱(chēng)量"呢？

這需要大幅度降低傳感器的探測(cè)極限，對(duì)器件的精密性提出了的要求。在以往研究中，科學(xué)家們往往通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)本身的機(jī)械性能來(lái)解決該問(wèn)題。

近期，西湖大學(xué)與國(guó)科大杭州高等研究院團(tuán)隊(duì)合作，另辟蹊徑地從優(yōu)化加工工藝的角度出發(fā)，制備出一種新型光纖彈簧傳感器。

該研究中所能加工出彈簧的彈性系數(shù) k 降至 44.5pN/nm，靈敏度相較已報(bào)道文獻(xiàn)的結(jié)果高出 4 個(gè)數(shù)量級(jí)，探測(cè)極限達(dá) 40 皮牛（pN，10-12N），可與大多數(shù)微機(jī)電系統(tǒng)器件相媲美。

皮牛級(jí)光纖傳感器有望對(duì)提升傳感器精度開(kāi)拓新的思路，并在應(yīng)用層面對(duì)很多學(xué)科具有參考意義。例如，掃描式彈簧光纖傳感器有望被應(yīng)用在薄膜楊氏模量測(cè)量及生物力學(xué)傳感等領(lǐng)域，“非接觸"探測(cè)模式在湍流探測(cè)、光力測(cè)量等領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。

該研究中關(guān)于制備方面的分析和探索，可被應(yīng)用于其他復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)的加工，提高 3D 結(jié)構(gòu)在其他應(yīng)用場(chǎng)景下的性能。

此外，在解釋微納尺度物理現(xiàn)象時(shí)，微小力的精密測(cè)量是重要的參考之一。在該研究中，光纖傳感器還被應(yīng)用于微觀氣流力測(cè)量領(lǐng)域。

得益于該傳感器的高精度，研究人員在實(shí)驗(yàn)中捕獲到出氣口附近氣流力隨氣壓的非線性變化過(guò)程，體現(xiàn)了高精度力學(xué)傳感器在感知微觀物理現(xiàn)象的潛力。

西湖大學(xué)國(guó)強(qiáng)講席教授仇旻指出，“我們期待皮牛級(jí)光纖傳感器被應(yīng)用于多學(xué)科的基礎(chǔ)研究探索，通過(guò)力學(xué)傳感的方式可能會(huì)發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的物理現(xiàn)象，未來(lái)通過(guò)精密力學(xué)測(cè)量有望對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的探索做出貢獻(xiàn)。"

審稿人對(duì)該研究評(píng)價(jià)道：“仇旻等人提出了一項(xiàng)有趣的研究，將納米力學(xué)、增材制造和光子學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了皮牛級(jí)光纖端面力學(xué)傳感器。該研究是納米機(jī)械工程領(lǐng)域很好的范例，具有重要的基礎(chǔ)研究相關(guān)性和應(yīng)用潛力。"

來(lái)源：傳感器專(zhuān)家網(wǎng)