CN104807569B - 一种基于光弹性原理的柔性微探针及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光弹性原理的柔性微探针及其使用方法，本发明所述的基于光弹性原理的柔性微探针为以SU‑8胶为材料的整体结构，包括微探针受力端和微探针基体，所述微探针基体包括基体端部和基体尾部，所述基体端部和微探针受力端设置于基体尾部的同一侧，形成微探针结构，通过测量透过柔性铰链应力测量区与测量光路的偏振光光强改变量，建立起与微探针受力端处所受力的大小的关系，即可实现微力的测量。本发明以SU‑8胶为微探针材料，加工工艺成本低、稳定性强，具有抗化学腐蚀性、良好的力学性能和生物兼容性、光应力系数大等优点。并且本发明为整体结构，无需装配，制作简单，有助于实现生物医学、材料化学等领域微操作技术的实用化。

Description

一种基于光弹性原理的柔性微探针及其使用方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域中的微传感器技术领域，特别涉及一种基于光弹性原理的柔性微探针及其使用方法。

背景技术

随着生物医学、材料化学等领域的迅猛发展，对具有微纳米级尺度物体的研究也越来越多，如在生物医学学科中对细胞表面张力的探测，材料化学中对碳纳米管拉伸强度和扭转强度的测量等。因此，研究开发出能够有效检测出微尺度下力的大小的微探针能够有效地促进这些学科的发展，具有重要的意义。

目前微探针的主要种类有：1、利用梳齿结构，通过测量由梳齿组成的电容组电容值的变化，实现对微探针末端力的测量，见文献Muntwyler S,Beyeler F,Nelson BJ.Three-axis micro-force sensor with sub-micro-Newton measurement uncertaintyand tunable force range[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2010,20(2):025011。但梳齿结构在制作过程中成本较高，并且局部梳齿的破坏会导致整个梳齿结构的破坏；2、利用压阻材料，通过集成的惠更斯电桥测量微探针阻值的变化，从而测量出微力的大小，见文献Komati B,Agnus J,Clévy C,et al.Prototyping of a highlyperformant and integrated piezoresistive force sensor for microscaleapplications[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2014,24(3):035018。但测量结果容易受热场的影响，使测量结果产生热漂移；3、利用原子力学显微镜悬臂梁结构，通过检测悬臂梁转动的角度，从而实现微力的测量，见文献Hugel T,SeitzM.The study of molecular interactions by AFM force spectroscopy[J].Macromolecular rapid communications,2001,22(13):989-1016。但使用原子力学显微镜悬臂梁设备成本较高，且不便于操作与对准。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种基于光弹性原理的柔性微探针及其使用方法。本发明采用的技术手段如下：

一种基于光弹性原理的柔性微探针，为以SU-8胶为材料的整体结构，包括微探针受力端和微探针基体，所述微探针基体包括基体端部和基体尾部，所述基体端部和微探针受力端设置于基体尾部的同一侧；所述微探针受力端与基体尾部连接的一端、靠近基体端部的一侧设有弧形缺口，形成柔性铰链应力测量区。

进一步地，所述柔性铰链应力测量区的宽度为50～80μm，所述弧形缺口的半径为140～300μm。

进一步地，所述微探针受力端靠近基体端部的一侧设有凸起Ⅰ，基体端部与凸起Ⅰ的对应位置处设有凸起Ⅱ，所述凸起Ⅰ与凸起Ⅱ通过U型环连接，所述U型环的开口背向基体尾部。

进一步地，所述基体端部靠近微探针受力端的一侧设有凸起Ⅲ，作为微探针保护结构。

进一步地，所述微探针受力端的长度大于基体端部的长度。

进一步地，所述微探针的厚度为50～300μm。

一种基于光弹性原理的柔性微探针的使用方法，包括以下步骤：

①将光源转化为偏振光后入射到柔性铰链应力测量区；

②将待测力施加到微探针受力端；

③检测柔性铰链应力测量区的出射光，并通过入射光和出射光的关系计算柔性铰链应力测量区的应力值。

进一步地，步骤①采用激光光源，激光光源发射出的激光经过起偏振镜变为只在一个平面内的平面偏振光，然后经过一个1/4玻片变为圆偏振光。

进一步地，步骤③中，检测透过柔性铰链应力测量区前后的偏振光相位的改变，通过1/4玻片和检偏振镜将相位的改变转化为光强的改变，进而对柔性铰链应力测量区的应力值进行计算，应力值的计算公式为：

其中，I为出射光光强，I₀为入射光光强，λ为入射光波长，σ₁为柔性铰链应力测量区的应力值，C为光学应力常数，t为微探针的厚度。

进一步地，根据计算所得的柔性铰链应力测量区的应力值σ₁，进一步计算微探针受力端所受力的大小，计算公式为：

F＝σ₁/к

其中F为微探针受力端所受力，即测量力，σ₁为柔性铰链应力测量区的应力值，к为柔性铰链应力测量区的应力值与微探针受力端所受力的比例系数。

与现有技术比较，本发明所述的一种基于光弹性原理的柔性微探针具有以下优点：

本发明所述的基于光弹性原理下的柔性微探针采用SU-8胶为材料，具有加工工艺成本低、工艺简单，生产周期短、稳定性强、抗化学腐蚀性、良好的力学性能和生物兼容性等优点，同时光应力系数大，测量的灵敏度高，测量值的热偏移小；测量区域引入柔性铰链使应力集中，进一步提高测量的灵敏度；结构中设计有微探针保护结构和U型环，能够防止在过载的情况下微探针的破坏，并有效地提高微探针在纵向上的刚度，防止制作时在释放的过程中发生断裂；并且，本发明为整体结构，无需装配，制作简单，有助于实现生物医学、材料化学等领域微操作技术的实用化。

附图说明

图1是本发明基于光弹性原理下的柔性微探针的结构示意图。

图2是本发明基于光弹性原理下的柔性微探针测量系统示意图。

图3是本发明测量区应力均值-微探针受力端所受力图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于光弹性原理的柔性微探针，为以SU-8胶为材料的整体结构，SU-8胶光弹性系数较大，测量的灵敏度高，测量值的热偏移小，本实施例所述的微探针包括微探针受力端1和微探针基体5，所述微探针基体5包括基体端部6和基体尾部7，所述基体端部6和微探针受力端1设置于基体尾部7的同一侧；所述微探针受力端1与基体尾部7连接的一端、靠近基体端部6的一侧设有弧形缺口，形成柔性铰链应力测量区2，使微探针测量端1受力时在柔性铰链应力测量区2处形成应力集中，利用应力集中现象提高测量的精度。

所述柔性铰链应力测量区2的宽度为50～80μm，所述弧形缺口的半径为140～300μm。

所述微探针受力端1靠近基体端部6的一侧设有凸起Ⅰ8，基体端部6与凸起Ⅰ8的对应位置处设有凸起Ⅱ9，所述凸起Ⅰ8与凸起Ⅱ9通过U型环4连接，所述U型环4的开口背向基体尾部7。

所述基体端部6靠近微探针受力端1的一侧设有凸起Ⅲ3，作为微探针保护结构，本实施例的凸起Ⅲ3的端部为半圆型。

所述微探针受力端1的长度大于基体端部6的长度。

所述微探针的厚度为50～300μm，且微探针上设有通孔，在微探针制作过程的腐蚀工艺中，使腐蚀液更易进入微探针与基体之间的缝隙，便于将微探针与基体分离。

一种基于光弹性原理的柔性微探针的使用方法，即使用本发明所述的微探针进行微力测量的方法，包括以下步骤：

①将光源转化为偏振光后入射到柔性铰链应力测量区2；

②将待测力施加到微探针受力端1；

③检测柔性铰链应力测量区2的出射光，并通过入射光和出射光的关系计算柔性铰链应力测量区2的应力值。

进一步地，步骤①采用激光光源，激光光源发射出的激光经过起偏振镜变为只在一个平面内的平面偏振光，然后经过一个1/4玻片变为圆偏振光。

进一步地，步骤③中，检测透过柔性铰链应力测量区前后的偏振光相位的改变，通过1/4玻片和检偏振镜将相位的改变转化为光强的改变，进而对柔性铰链应力测量区的应力值进行计算，应力值的计算公式为：

其中，I为出射光光强，I₀为入射光光强，λ为入射光波长，σ₁为柔性铰链应力测量区的应力值，C为光学应力常数，t为微探针的厚度。

如图2所示，激光光源发射出激光后，经过起偏振镜变为只在一个平面内的平面偏振光，然后经过第一个1/4玻片变为圆偏振光，当计算机控制系统对微探针进行加载时，由于光弹性现象，两束平面光之间会产生光程差，其大小与微探针所受力的大小有关，然后经第二个1/4玻片与检偏振镜后，入射到高速CCD中，CCD将光信号的变化传入到计算机中，即可读取微探针受力端所受力的大小。其中第一个1/4玻片快轴方向与系统坐标系夹角为-π/4，第二个1/4玻片快轴方向与系统坐标系夹角为π/4，起偏振器极轴角度为π/2，检偏振器极轴角度为0。下面对光路的传输公式进行了推导：

根据光束经过光学器件的传输理论，探测器探测得到的光强信号I(i₀、i₁、i₂、i₃)和入射光的斯托克斯参量S(S₀、S₁、S₂、S₃)的关系为：

I＝A·S

式中，I为出射光光强矩阵，A为系统矩阵，S为入射光的斯托克斯矢量，其中S₀为总光强，S₁和S₂分别代表两个方向上的线偏振光，S₃代表圆偏振光。

对于激光光源发射的光束，其光强为I₀:

I₀＝[i₀ 0 0 i₀]^T

对于起偏振器，其极轴方向与系统坐标方向夹角π/2，由斯托克斯公式可得知其系统矩阵为：

对于第一个1/4玻片,其快轴方向与系统坐标方向夹角-π/4，其系统矩阵为：

对基于光弹性原理的柔性微探针，测量区域所受的应力为拉应力，此时相当于一个方位为θ，延迟为Δ的直线相位器，其中θ为微探针测试区域中主应力方向与系统坐标系之间的夹角。因此，微探针测量区域的系统矩阵为：

对于第二个1/4玻片，其系统矩阵为：

对于检偏振器，其系统矩阵为：

由上述公式可得，经过光路后入射到CCD光电传感器上的光强值为：

I＝A₂A_π/2，π/4A_Δ，θA_π/2，-π/4A₁I₀

即：

其中Δ为由于柔性铰链应力测量区2应力的变化而产生的相位的延迟，由光应力定理公式：

其中C为光学应力常数，t为样本厚度，σ₁、σ₂分别是两个主应力，由于柔性铰链应力测量区仅受拉应力作用，因此σ₂值为0，可得出CCD接受光强大小与测量区域应力值的关系为：

如图3所示，在一定厚度下，对于测量宽度和柔性铰链半径都确定的微探针，微探针受力端受到的力F与应力σ₁成正比关系，图中直线斜率即为比例系数к，则：

к＝σ₁/F

实施例1～4

在柔性铰链应力测量区2的弧形缺口半径为140μm时，分别取柔性铰链测量区的宽度为50μm、60μm、70μm、80μm进行应力的测量，对微探针受力端施加200μN的力，计算比例系数к，结果如下：

实施例5～8

在柔性铰链应力测量区2的弧形缺口半径为180μm时，分别取柔性铰链测量区的宽度为50μm、60μm、70μm、80μm进行应力的测量，对微探针受力端施加200μN的力，计算比例系数к，结果如下：

实施例9～12

在柔性铰链应力测量区2的弧形缺口半径为220μm时，分别取柔性铰链测量区的宽度为50μm、60μm、70μm、80μm进行应力的测量，对微探针受力端施加200μN的力，计算比例系数к，结果如下：

实施例13～16

在柔性铰链应力测量区2的弧形缺口半径为260μm时，分别取柔性铰链测量区的宽度为50μm、60μm、70μm、80μm进行应力的测量，对微探针受力端施加200μN的力，计算比例系数к，结果如下：

实施例17～20

在柔性铰链应力测量区2的弧形缺口半径为300μm时，分别取柔性铰链测量区的宽度为50μm、60μm、70μm、80μm进行应力的测量，对微探针受力端施加200μN的力，计算比例系数к，结果如下：

对任意规格的微探针，只需经过简单的测量和计算，即可得出测量力与测量区应力比例系数κ，进而再使用中通过测量和计算得出测量力的大小。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于，为以SU-8胶为材料的整体结构，包括微探针受力端和微探针基体，所述微探针基体包括基体端部和基体尾部，所述基体端部和微探针受力端设置于基体尾部的同一侧；所述微探针受力端与基体尾部连接的一端、靠近基体端部的一侧设有弧形缺口，形成柔性铰链应力测量区。

2.根据权利要求1所述的基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于，所述柔性铰链应力测量区的宽度为50～80μm，所述弧形缺口的半径为140～300μm。

3.根据权利要求2所述的基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于，所述微探针受力端靠近基体端部的一侧设有凸起Ⅰ，基体端部与凸起Ⅰ的对应位置处设有凸起Ⅱ，所述凸起Ⅰ与凸起Ⅱ通过U型环连接，所述U型环的开口背向基体尾部。

4.根据权利要求3所述的基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于，所述基体端部靠近微探针受力端的一侧设有凸起Ⅲ，作为微探针保护结构。

5.根据权利要求1所述的基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于，所述微探针受力端的长度大于基体端部的长度。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于，所述微探针的厚度为50～300μm。

7.一种基于光弹性原理的柔性微探针的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

①将光源转化为偏振光后入射到柔性铰链应力测量区；

②将待测力施加到微探针受力端；

③检测柔性铰链应力测量区的出射光，并通过入射光和出射光的关系计算柔性铰链应力测量区的应力值。

8.根据权利要求7所述的基于光弹性原理的柔性微探针的使用方法，其特征在于，步骤①采用激光光源，激光光源发射出的激光经过起偏振镜变为只在一个平面内的平面偏振光，然后经过一个1/4玻片变为圆偏振光。

9.根据权利要求7所述的基于光弹性原理的柔性微探针的使用方法，其特征在于，步骤③中，检测透过柔性铰链应力测量区前后的偏振光相位的改变，通过1/4玻片和检偏振镜将相位的改变转化为光强的改变，进而对柔性铰链应力测量区的应力值进行计算，应力值的计算公式为：

$I=\frac{1}{2}{I}_0{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\πt}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{C\σ}}_1\right)$

其中，I为出射光光强，I₀为入射光光强，λ为入射光波长，σ₁为柔性铰链应力测量区的应力值，C为光学应力常数，t为微探针的厚度。

10.根据权利要求9所述的基于光弹性原理的柔性微探针的使用方法，其特征在于，根据计算所得的柔性铰链应力测量区的应力值σ₁，进一步计算微探针受力端所受力的大小，计算公式为：

F＝σ₁/к

其中F为微探针受力端所受力，σ₁为柔性铰链应力测量区的应力值，к为柔性铰链应力测量区的应力值与微探针受力端所受力的比例系数。