CN117419791A - 基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置和制备方法，包括在低折射率MgF2衬底上布置双锥微纳光纤，构造U形微纳光纤悬臂梁结构，在U形微纳光纤悬臂梁顶端放置一块平滑平整的单晶金片，形成微天平，在悬臂梁顶端金片上放置不同质量的颗粒进行质量测量，金片位于微纳光纤的顶端中部，微纳光纤的两端分别连接光源和探测器；微纳光纤悬臂梁受到外界压力时，光纤发生弯曲形变，输出光强减小，通过建立光强与压力之间的一一对应关系实现力传感，从而实现质量测量。本发明具有制备简易、灵敏度高的特点，并且质量检测精度、范围均可调。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光纤传感器领域，具体地说，是基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置和制备方法。
背景技术
随着互联网、物联网、人工智能技术的发展，社会对高性能传感器的需求日益提升。光纤传感器作为一种20世纪70年代末兴起的一项全新技术，以其优越的性能备受青睐，与传统的机械或电子传感器不同，光纤具有体积小，重量轻，抗电磁干扰，电气安全等多项优点，在传感系统的设计制造中占据优势。而微纳光纤——一种直径在亚波长尺度的新型光纤，不仅继承了传统光纤的以上优势，而且还具备新的独特优势——小尺寸和强光场约束能力，使得信号光在光纤内部不再以全内反射的形式传输，部分光以倏逝场的形式在光纤外部传输，当物质进入倏逝场的范围，会对倏逝场产生扰动，带来散射、色散、吸收等一系列变化，通过探测输出光谱的相位、强度等变化，就可以感知扰动的来源，实现对环境介质的传感。因此微纳光纤在传感方面具有独特的优势。
超灵敏微力传感器对研究光与物质的相互作用，探索生命科学关键问题，研制新型微纳器件具有重要意义。目前普遍使用的超灵敏微弱力传感装置，例如原子力显微镜、光镊、磁镊等，需要依托昂贵的仪器、复杂的加工方法和精密的测试系统，同时传感器与被测系统在空间尺度上的失配和繁琐的测试方法也限制了超灵敏微弱力传感器的发展和应用。因此，基于新材料、新原理构建结构简单、灵敏度高、检测范围宽的超灵敏微弱力传感器是科学研究和发展的迫切需求。
微纳光纤在力学和光学方面的特性使其在微弱力传感方面具有巨大潜力，然而目前大多数基于微纳光纤的力学传感器都是把微纳光纤完全包裹在柔性材料中，极大限制了传感器的力学灵敏度。实现基于微纳光纤的高灵敏度微弱力传感，需要构造新的传感结构，充分利用微纳光纤的机械灵活性。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供基于微纳光纤微弱力传感的质量测量装置的制备方法，它是基于微纳光纤的新型光纤传感器，也是一种新型的微天平。
本发明的技术方案是：
本发明公开了一种基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置，包括低折射率衬底、在低折射率衬底上布置的微纳光纤，微纳光纤位于超出低折射率衬底的部分的一侧为U形微纳光纤悬臂梁、微纳光纤的另一侧位于低折射率衬底上的部分为两个端头分别通过两端的标准光纤连接光源和探测器，U形微纳光纤悬臂梁顶端放置有单晶金片，单晶金片上放置不同质量的颗粒进行质量测量，标准光纤与微纳光纤为一体。
作为进一步地改进，本发明所述的微纳光纤的U形微纳光纤悬臂梁位于微纳光纤的中部。
作为进一步地改进，本发明所述的单晶金片粘附于U形微纳光纤悬臂梁的顶端。
作为进一步地改进，本发明所述的微纳光纤的U形微纳光纤悬臂梁暴露在空气中，微纳光纤位于低折射率衬底上的其余部分由聚合物PDMS固定密封在低折射率衬底上。
作为进一步地改进，本发明所述的单晶金片平滑平整，通过范德华力而稳定地粘附在微纳光纤的U形微纳光纤悬臂梁上。
作为进一步地改进，本发明所述的微纳光纤是通过标准光纤拉制而成。
本发明还公开了基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置的制备方法，将微纳光纤放置在低折射率衬底上，通过微纳操作构造在低折射率衬底边缘悬空的U形微纳光纤悬臂梁，调整好U形结构的长度、宽度参数后，在低折射率衬底上浇注一层未固化的聚合物PDMS，使微纳光纤被包埋在聚合物PDMS内部，之后对聚合物PDMS加热固化，使微纳光纤结构固定在低折射率衬底上，最后通过微纳操作在U形悬臂梁顶端中心放置单晶金片，形成微纳光纤微弱力传感器。
本发明的微纳光纤微弱力传感器对垂直方向施加的微弱力响应灵敏，在传感器的单晶金片上放置待测微颗粒，可以测出待测物质的重力大小，从而得到待测物质的质量。
本发明公开了基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置和方法。包括在低折射率MgF2衬底上布置双锥微纳光纤，构造U形微纳光纤悬臂梁结构，在U形微纳光纤悬臂梁顶端放置一块单晶金片，形成微天平，在悬臂梁顶端金片上放置不同质量的微颗粒进行质量测量，金片位于微纳光纤悬臂梁的顶端中部，微纳光纤的两端通过标准光纤分别连接光源和探测器；微纳光纤悬臂梁受到外界压力时，光纤发生弯曲形变，输出光强减小，通过建立光强与压力之间的一一对应关系实现力传感，从而实现质量测量。本发明具有制备简易、灵敏度高的特点，并且质量检测精度、范围均可调。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）该微纳光纤微弱力传感器的输出光强变化量大小与所受的垂直方向力大小有关，两者在一定范围内成线性关系，通过测量输出光强相对变化量可以得到垂直力的大小。因此用该传感器可以测量待测微颗粒重力，实现微天平质量测量的作用。
（2）该微纳光纤微弱力传感器的灵敏度和工作范围主要受到微纳光纤直径、U形悬臂梁的尺寸影响，通过调节微纳光纤直径、悬臂梁尺寸可以方便地对传感器的灵敏度、工作范围等传感性能进行调整，能够满足较大范围内的力测量。
（3）该传感器基于微纳光纤悬臂梁结构，集力学感知和光学信号于一体，受到外力作用的同时通过内部传导的光信号实现力学自检测，不需要额外构建复杂的光信号探测装置，系统精简，结构紧凑。
（4）该微纳光纤微弱力传感器制备工艺简单，成本低廉。
（5）该微纳光纤微弱力传感器灵敏度高，测量精度很高。
（6）该基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置，测量和校准是基于光强调制，检测系统结构简单，易于操作。
（7）由于本发明传感器由光驱动，不会受到电磁干扰，不会产生漏电、短路等安全隐患，安全性较高。
附图说明
图1是本发明微纳光纤微弱力传感器的结构示意图；
图2是本发明微纳光纤微弱力传感器分别采用直径0.5μm、0.6μm、0.8μm、1.0μm、1.2μm的微纳光纤时的力-形变关系；
图3是本发明微纳光纤微弱力传感器采用直径为0.5μm，悬臂梁宽度为150μm，施加压力1纳牛时，传感器形变与臂长的关系；
图4是本发明微纳光纤微弱力传感器采用直径为0.5μm，悬臂梁长度为200μm，施加压力1纳牛时，传感器形变与臂宽的关系；
图5是本发明微纳光纤微弱力传感器采用微纳光纤直径0.6μm、悬臂梁臂长150μm、宽150μm的结构参数时，测量得到的相对光强变化量与力的关系图；
图6是本发明微纳光纤微弱力传感器采用微纳光纤直径0.5μm、悬臂梁臂长200μm、宽200μm的结构参数时，作为微天平测量微颗粒质量时得到的光强随时间变化图；
图7是本发明微纳光纤微弱力传感器采用微纳光纤直径0.5μm、悬臂梁臂长200μm、宽200μm的结构参数时，作为微天平测量微颗粒质量时得到的质量-相对光强变化量曲线图；
图中：1—金片，2—U形微纳光纤悬臂梁，3—低折射率衬底，4—光源，5—探测器，6-标准光纤。
具体实施方式
下面结合说明书附图，通过具体实施例对本发明进一步说明。如图1所示，包括低折射率衬底3、在低折射率衬底3上布置的微纳光纤，微纳光纤位于超出低折射率衬底3的部分的一侧为U形微纳光纤悬臂梁2、微纳光纤的另一侧位于低折射率衬底3上的部分为两个端头分别通过两端的标准光纤6连接光源4和探测器5，U形微纳光纤悬臂梁2顶端放置有单晶金片1，单晶金片1上放置不同质量的颗粒进行质量测量，标准光纤6与微纳光纤为一体。微纳光纤需要构造U形悬臂梁结构，微纳光纤U形悬臂梁结构的位置位于低折射率衬底3边缘，悬空，微纳光纤的U形微纳光纤悬臂梁2位于微纳光纤的中部。微纳光纤的两端和标准光纤6无缝连接，两端的标准光纤6分别连接光源4和探测器5。低折射率衬底3上的微纳光纤用柔性聚合物固定，低折射率衬底3边缘悬空的U形微纳光纤悬臂梁2顶端粘附有一块单晶金片1，将待测微纳颗粒放在单晶金片1上，待测微颗粒的重力使得微纳光纤悬臂梁发生弯曲形变，导致输出光强变化，从而实现待测物体的质量测量。单晶金片1平滑平整，通过范德华力而稳定地粘附在微纳光纤的U形微纳光纤悬臂梁2上，微纳光纤是通过标准光纤6拉制而成。
将两端连接标准光纤6的微纳光纤放在低折射率衬底3上，先用聚合物固定和标准光纤6相连的锥区，再通过微纳操作构造伸出低折射率衬底3边缘的悬空U形悬臂梁结构。
再次用聚合物固定U形悬臂梁的底部，然后在U形悬臂梁顶部中心放置一块金片1。光源4发出的信号光自标准光纤6进入U形微纳光纤悬臂梁2后，由另一端的标准光纤6输出至探测器5，对微纳光纤悬臂梁上的金片1施加垂直压力，导致微纳光纤发生弯曲形变，信号光损耗增加，探测器5检测到的光强减小。由此可以通过测量微弱力引起的信号光的损耗来实现微弱力传感。
质量测量装置按照以下方式制备而成：
将微纳光纤放置在低折射率衬底3上，通过微纳操作构造在低折射率衬底3边缘悬空的U形微纳光纤悬臂梁2，调整好U形结构的长度、宽度等参数后，在低折射率衬底3上浇注一层未固化的聚合物PDMS，使微纳光纤除了悬空的U形悬臂梁部分的其它部分全部被包埋在低折射率衬底3和聚合物之间，之后对聚合物PDMS加热固化，使微纳光纤结构固定在低折射率衬底3上，再通过微纳操作在U形悬臂梁顶端中心放置一块直径几十微米、厚度几十纳米的单晶金片1，形成微天平结构，最后微纳光纤的两端通过标准光纤6连接光源4和探测器5，微纳光纤微弱力传感器，形成完整的质量测量装置。微纳光纤的U形微纳光纤悬臂梁2暴露在空气中，微纳光纤位于低折射率衬底3上的其余部分由聚合物PDMS固定密封在低折射率衬底3上。平滑平整、洁净的单晶金片1能够确保和微纳光纤之间的范德华力在微牛级别，同时给光纤带来的散射损耗也较小。金片1和微纳光纤之间微牛级别的粘附力，使得金片1能够较为稳定地粘附在光纤上，不易发生偏转、抖动，形成比较稳定的结构。金片1在光纤上作为一个受力点，提供较大的受力面积，同时隔绝微纳光纤的倏逝场，避免施力物体和微纳光纤接触带来额外的散射干扰。对光纤上的金片1施加一定压力时，会导致微纳光纤悬臂梁发生弯曲形变，从而导致微纳光纤内部传输的光信号的变化。通过建立压力和光强的对应关系，可以实现灵敏的微弱力传感。基于此原理，可以测量放在传感器金片1上的微纳颗粒的重力，从而实现质量测量。
具体实施所使用的微纳光纤由标准单模石英光纤(G.652)经过氢气火焰加热拉制而成，拉制的微纳光纤直径为0.6μm，构造的U形微纳光纤悬臂梁2臂长150μm，宽150μm（直径、长度、宽度可以根据需要调整）。
本发明的实施例低折射率材料MgF2作为低折射率衬底3，以及聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为固定并保护微纳光纤的柔性材料，说明本发明基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置的制备及结构。
由于微纳光纤微弱力传感器到压力时，微纳光纤悬臂梁由于压力的影响而发生形变，导致微纳光纤的传输损耗变大，从而导致微纳光纤内部传输的光信号强度变小。微纳光纤的直径直接影响悬臂梁形变大小。以压力为自变量，相对光强为因变量进行分析，相对光强变化量与对应的压力变化量的比值越大，即工作曲线的斜率越大，变化趋势越陡，说明传感器的灵敏度越高。需要说明的是，较粗的微纳光纤虽然工作曲线斜率较小，但是其工作范围更大。此外，微纳光纤悬臂梁的尺寸（臂长和宽度）也会直接影响形变大小，从而影响传感器灵敏度。
以下以悬臂梁臂长150μm，宽150μm，微纳光纤直径依次为0.6μm，0.8μm，1μm，1.2mm的传感器为例说明本发明传感器的技术效果。如图2所示，直径较粗的微纳光纤，压力造成的弯曲形变幅度较小，传感器灵敏度较低，而工作范围较大。并且光纤直径越小，弯曲形变量量越大，传感器灵敏度越大，同时工作范围越小。
以微纳光纤直径0.5μm，悬臂梁宽150μm，悬臂梁长度为80μm~200μm内不同值的传感器为例，说明悬臂梁长度对传感器力学性能的影响。如图3所示，图中记录的是传感器受到1纳牛力时，形变大小与悬臂梁臂长的关系，悬臂梁臂长增加时，微纳光纤形变显著增加，力传感灵敏度显著增加。
以微纳光纤直径0.5μm，悬臂梁长度200μm，悬臂梁宽度为80μm~200μm内不同值的传感器为例，说明悬臂梁宽度对传感器力学性能的影响。如图4所示，图中记录的是传感器受到1纳牛力时，形变大小与悬臂梁宽度的关系，悬臂梁宽度增加时，微纳光纤形变有略微的增加，力传感灵敏度微弱增加。
以微纳光纤直径0.6μm，悬臂梁臂长150μm，宽150μm的结构为例，测试不同压力下对应的光强响应，以力F为自变量，相对光强变化量ΔI为因变量，作F-ΔI关系图，如图5所示，数据表现出良好的线性关系，证明本传感器用于力传感的可行性。
以微纳光纤直径0.5μm，悬臂梁臂长200μm，宽200μm的传感器为例说明本发明作为微天平使用时的效果。在该传感器的金片1上逐次放置3个直径约20μm，密度为1.19g/cm3的PMMA微球（质量约4.9ng），记录传感器输出信号的实时检测曲线，如图6所示，可以看到每加载一个微球时，输出光强瞬时下降一个台阶，图6中的（1）-（4）分别是空置的、放了一个微球、放了两个微球、放了三个微球的传感器照片。提取数据得到待测物质量和相对光强变化量的关系如图7所示，可以看出待测质量与光强变化量成线性关系，灵敏度很高，达到ΔI/Δm=0.1%/纳克，在光源噪声为0.02%的情况下，质量测量精度达到0.2纳克，高于绝大多数商业电子天平。
以上结合附图详细解释了本发明实施方式，但本领域的科研人员和技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置，其特征在于，包括低折射率衬底、在低折射率衬底上布置的微纳光纤，所述的微纳光纤位于超出低折射率衬底的部分的一侧为U形微纳光纤悬臂梁、所述的微纳光纤的另一侧位于低折射率衬底上的部分为两个端头分别通过两端的标准光纤连接光源和探测器，所述的U形微纳光纤悬臂梁顶端放置有单晶金片，所述的单晶金片上放置不同质量的颗粒进行质量测量，所述的标准光纤与微纳光纤为一体。
2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置，其特征在于，所述的微纳光纤的U形微纳光纤悬臂梁位于微纳光纤的中部。
3.根据权利要求1所述的基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置，其特征在于，所述的单晶金片粘附于U形微纳光纤悬臂梁的顶端。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置，其特征在于，所述的微纳光纤的U形微纳光纤悬臂梁暴露在空气中，微纳光纤位于低折射率衬底上的其余部分由聚合物PDMS固定密封在低折射率衬底上。
5.根据权利要求4所述的基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置，其特征在于，所述的单晶金片平滑平整，通过范德华力而稳定地粘附在微纳光纤的U形微纳光纤悬臂梁上。
6.根据权利要求4所述的基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置，其特征在于，所述的微纳光纤是通过标准光纤拉制而成。
7.基于微纳光纤微弱力传感器的质量测量装置的制备方法，其特征在于，将微纳光纤放置在低折射率衬底上，通过微纳操作构造在低折射率衬底边缘悬空的U形微纳光纤悬臂梁，调整好U形结构的长度、宽度参数后，在低折射率衬底上浇注一层未固化的聚合物PDMS，使微纳光纤被包埋在聚合物PDMS内部，之后对聚合物PDMS加热固化，使微纳光纤结构固定在低折射率衬底上，最后通过微纳操作在U形悬臂梁顶端中心放置单晶金片，形成微纳光纤微弱力传感器。
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