在國家自然科學基金項目（批準號：62075136、62005173）等資助下，深圳大學廖常銳教授、王義平教授團隊與合作者研制出一種光纖型微力傳感器，實現(xiàn)了納牛頓（nN）級微弱力的測量。

研究成果以“用于高靈敏度納米力測量的光纖端面聚合物固支梁探針(Fiber-tip polymer clamped-beam probe for high-sensitivity nanoforce measurements)”為題，于2021年8月27日發(fā)表在《光：科學與應用》(Light: Science & Applications)上。

隨著器件小型化的發(fā)展，微操作引起人們極大的關注。在微觀世界中，如果接觸力得不到可靠的檢測和有效的控制，微觀物體很容易損壞。尤其在細胞檢測、組織成像和微創(chuàng)探測等領域，迫切需要精確控制和測量作用在微小物體上的微弱力。

然而，傳統(tǒng)的基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的微力傳感器受限于結構封裝和電學解調(diào)方式，其結構尺寸較大、檢測精度較低且易受環(huán)境電磁場干擾，繼續(xù)縮小力學傳感器尺寸并提高力學檢測精度是研發(fā)小型化微力傳感器面臨的巨大挑戰(zhàn)。

針對這一挑戰(zhàn)，該研究團隊采用飛秒激光雙光子聚合納米光刻技術，首次在單模光纖端面3D打印出基于微米尺寸固支梁探針的微力傳感結構。

該結構中，光纖端面與固支梁構成光學法-珀微腔，通過對法-珀微腔白光干涉光譜解調(diào)獲得施加力和傳感器輸出之間的線性關系，并利用固支梁探針的結構緊湊、低剛度和高彈性，使光纖微力傳感的力學檢測靈敏度高達1.51 nm/μN、檢測下限低至54.9 nN。

進一步，他們利用該傳感器實現(xiàn)了對聚二甲硅氧烷（PDMS）材料樣本和蝴蝶觸角等生物樣本楊氏模量的精確測量（圖1）。

該項研究工作不僅為實現(xiàn)微型原子力顯微鏡系統(tǒng)提供了新方案，更為光纖集成聚合物微納傳感器研究提供了新思路，在材料力學性能研究和生物樣品檢測方面具有廣闊的應用前景。

圖1 光纖型微力傳感器結構特征與力學傳感應用。a光纖型微力傳感器結構原理圖；b光纖端面固支梁探針掃描電鏡圖；c PDMS被推壓20μm時，傳感器反射光譜的演變過程；d 原子力顯微鏡測量的PDMS楊氏模量分布圖；e 固支梁探針推壓蝴蝶觸角的顯微觀測圖