微結構設計能夠優化傳感器內部的應力分布，增加有效接觸面積，從而提高傳感器的響應速度和檢測范圍。3D打印技術可以精確地制造出這些微結構，充分發揮其在性能優化方面的作用。”

在當今科學研究中，微觀力測量技術的精確性對各個領域具有深遠影響。西湖大學的Xinggang Shang及其所在團隊在《Advanced Materials》期刊上發表了一篇新研究，該研究展示了一種新型光纖集成力傳感器的開發，該傳感器能夠實現微牛頓級別的高精度力測量，具體表現為40.0 ± 0.7 pN的靈敏度。

該研究的核心目的在于克服當前力測量技術所面臨的諸多挑戰。傳統的力測量工具，如原子力顯微鏡（AFM）和微電機械系統（MEMS/NEMS），通常存在高成本、復雜檢測系統及電磁兼容性差等問題。因此，這項研究旨在以更加通用、低成本的方式，開發出具備高靈敏度和高分辨率的微觀力傳感器。

該傳感器的設計基于3D打印的彈簧型Fabry-Perot腔體，利用修改后的光聚合技術（TPP）制造。研究團隊有效地提升了彈簧的精度，使其在微米范圍內的力測量靈敏度達到了44.5 pN/nm，并且能夠在極小的位移范圍內進行精確測量（靈敏度為0.436 ± 0.007 nm/nN）。這種高分辨率的力傳感器在纖維基礎上進行創制，具有顯著的結構穩定性和良好的使用性能。

研究團隊使用Nanoscribe公司的設備進行高精度3D打印。利用該設備，團隊成功地制造出了能夠滿足光纖集成力傳感器要求的復雜結構。由于Nanoscribe的設備具有極高的分辨率和靈活性，能夠層層打印出精確的三維彈簧結構，確保了傳感器在微觀力檢測中的超高靈敏度和分辨率。

Nanoscribe 的雙光子灰度光刻技術 (2GL) 是微納 3D 制造領域的革命性突破。該技術融合灰度光刻與雙光子聚合的優勢，實現了對微結構及其表面的精確控制，提供前所未有的設計自由度。2GL 能夠制造超光滑的球面/非球面微透鏡、銳利平面結構和高縱橫比自由曲面微光學器件，甚至可制作衍射/折射混合光學元件。 Nanoscribe 的 2GL 技術受中國國家專利保護（專利號：CN110573291B）。

為了驗證傳感器的性能，研究團隊采用了不同直徑的硅微球作為標準重量進行校準。研究表明，該傳感器在微牛頓級別的檢測中表現出色，其靈敏度和分辨率遠超市場上現有的光纖傳感器。這種微型傳感器的成功校準和測試結果，為今后類似應用場景中的廣泛推廣奠定了基礎。

盡管研究取得了顯著進展，尚興剛教授和他的團隊在研究過程中也遭遇到了諸多困難，包括制造技術的挑戰和靈敏度提升的難題。3D打印過程中，為了保護復雜的三維結構，研究小組必須使用特定的清洗液以避免因表面張力導致的結構變形。通過觀察和優化材料以及打印參數，研究人員逐步克服了這些問題，為高端設備的最終成型提供了保障。

未來，該傳感器具有廣泛的應用潛力。具體而言，它能夠在諸如流體力學、生物傳感等領域發揮重要作用。特別是在生物醫學研究中，該傳感器可用于細胞質量變化、細胞間相互作用和生物樣本分析等微觀力測量，以提供更高的準確性和敏感度。此外，傳感器在流體動力學中的應用，能夠幫助研究人員更好地理解微觀流動現象。

這項研究不僅為微觀力傳感器的開發提供了新思路，還為光纖以及相關納米技術在微觀測量中的廣泛應用展示了前景。通過不斷的優化和技術進步，未來的力傳感器將能夠在更廣泛的科學研究和工程應用中占據重要位置。

來源：網易