Onderzoekers hebben een kleine glasvezelkrachtsensor ontwikkeld die extreem kleine krachten kan meten die worden uitgeoefend door kleine objecten. De nieuwe op licht gebaseerde sensor overwint de beperkingen van krachtsensoren op basis van micro-elektromechanische sensoren (MEMS) en kan nuttig zijn voor toepassingen van medische systemen tot productie.

"Toepassingen voor krachtdetectie zijn talrijk, maar er is een gebrek aan grondig miniatuur en veelzijdige krachtsensoren die krachtmetingen kunnen uitvoeren op kleine objecten, "zei onderzoeksteamleider Denis Donlagic van de Universiteit van Maribor in Slovenië. "Onze sensor helpt om aan deze behoefte te voldoen als een van de kleinste en meest veelzijdige optische-vezelkrachtsensoren die tot nu toe zijn ontworpen."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , Donlagic en Simon Pevec beschrijven hun nieuwe sensor, die is gemaakt van silicaglas dat is gevormd tot een cilinder van slechts 800 micron lang en 100 micron in diameter - ongeveer dezelfde diameter als een mensenhaar. Ze demonstreren het vermogen van de nieuwe sensor om kracht te meten met een resolutie die beter is dan die van een micronewton door hem te gebruiken om de stijfheid van een paardenbloemzaadje of de oppervlaktespanning van een vloeistof te meten.

"De krachtwaarneming met hoge resolutie en het brede meetbereik kunnen worden gebruikt voor gevoelige manipulatie en bewerking van kleine objecten, oppervlaktespanningsmetingen op zeer kleine hoeveelheden vloeistof, en het manipuleren of onderzoeken van de mechanische eigenschappen van biologische monsters op cellulair niveau, ' zei Donlagic.

Een volledig glazen sensor maken

Hoewel op MEMS gebaseerde sensoren miniatuurkrachtdetectiemogelijkheden kunnen bieden, hun toepassingen zijn beperkt omdat ze een toepassingsspecifieke beschermende verpakking en meerdere elektrische aansluitingen vereisen. Zonder de juiste verpakking, MEMS-apparaten zijn ook niet biocompatibel en kunnen niet in water worden ondergedompeld.

Om een ​​meer veelzijdige miniatuurkrachtsensor te ontwikkelen, de onderzoekers creëerden een volledig optische vezeloptische sensor die volledig van glas is gemaakt. De complexe onderneming werd mogelijk gemaakt door een speciaal etsproces dat de onderzoekers eerder hadden ontwikkeld om gecompliceerde microstructuren van alle vezels te maken. Ze gebruikten dit microbewerkingsproces om een ​​sensor te maken op basis van een Fabry-Perot-interferometer - een optische holte gemaakt van twee parallelle reflecterende oppervlakken.

Het uiteinde van de invoervezel van de sensor werd samen met een dun flexibel silicamembraan gebruikt om de kleine interferometer te maken. Wanneer externe kracht wordt uitgeoefend op een silicapaal met een ronde of cilindrische krachtsensor aan het uiteinde, het verandert de lengte van de interferometer op een manier die kan worden gemeten met een resolutie van een subnanometer.

De manier waarop de structuren van de sensor werden gefabriceerd, creëerde een luchtdichte holte die wordt beschermd tegen verontreiniging en geschikt is voor gebruik in biochemische omgevingen. Het kan niet alleen worden ondergedompeld in een verscheidenheid aan vloeistoffen, maar het kan ook positieve en negatieve krachten meten en heeft voor de meeste toepassingen geen extra verpakking nodig.

Kleine krachten meten

Na evaluatie en kalibratie van de sensor, de onderzoekers gebruikten het om Young modulus - een maat voor stijfheid - van een mensenhaar en gewoon paardenbloemzaad te meten. Ze maten ook de oppervlaktespanning van een vloeistof door de terugtrekkracht te meten wanneer een miniatuurcilinder uit een vloeistof werd verwijderd. De onderzoekers konden kracht meten met een resolutie van ongeveer 0,6 micronewton en een krachtbereik van ongeveer 0,6 millinewton.

"De krachtgevoelige punt kan aanzienlijk kleiner worden gemaakt - tot ongeveer 10 micron in diameter - en kan worden aangepast om verschillende krachtwaarnemingstaken uit te voeren, "zei Donlagic. "De miniatuurkrachtsensor kan ook worden gebruikt om complexere sensoren te maken, zoals sensoren die magnetische en elektrische velden meten of de oppervlaktespanning of stroming van een vloeistof bepalen."

De onderzoekers zeggen dat de huidige versie van de sensor klaar is voor gebruik. Echter, verbetering van de robuustheid van overbelasting, het produceren van sondetips met andere vormen of het toevoegen van geminiaturiseerde verpakkingen zou potentiële toepassingen verder kunnen uitbreiden. De onderzoekers werken ook aan het automatiseren van de processen die worden gebruikt om de sensor te fabriceren om het praktischer te maken.