中国の学者が3Dプリント光ファイバーマイクロ力センサーを開発し、ナノニュートンレベルの弱い力の測定を実現

この投稿は warrior bear によって 2021-10-17 20:59 に最後に編集されました。

出典：中国国家自然科学基金中国国家自然科学基金（承認番号62075136、62005173）およびその他の助成金の支援を受けて、深セン大学の廖昌瑞教授と王一平教授のチームとその協力者は、ナノニュートン（nN）レベルの弱い力を測定できる光ファイバーマイクロフォースセンサーを開発しました。研究成果は、「高感度ナノフォース測定のためのファイバー先端ポリマークランプビームプローブ」というタイトルで、2021年8月27日にLight: Science & Applicationsに掲載されました。

関連論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41377-021-00611-9.
デバイスの小型化の進展に伴い、マイクロマニピュレーションが大きな注目を集めています。ミクロの世界では、接触力が確実に検出され、効果的に制御されない場合、ミクロの物体は簡単に損傷を受ける可能性があります。特に、細胞検出、組織イメージング、低侵襲検出の分野では、小さな物体に作用する弱い力を正確に制御および測定することが急務となっています。しかし、従来のマイクロ電気機械システム（MEMS）に基づくマイクロフォースセンサーは、構造的なパッケージングと電気的な復調方法によって制限されています。構造サイズが大きく、検出精度が低く、環境の電磁場の影響を受けやすいです。機械式センサーのサイズを継続的に縮小し、機械的な検出精度を向上させることは、小型マイクロフォースセンサーの研究開発において直面する大きな課題です。
この課題に対処するため、研究チームはフェムト秒レーザー2光子重合ナノリソグラフィー技術を使用して、シングルモード光ファイバーの端面にミクロンサイズの固定ビームプローブに基づくマイクロ力検知構造を初めて3Dプリントしました。この構造では、光ファイバーの端面と固定ビームが光ファブリペローマイクロキャビティを形成します。ファブリペローマイクロキャビティの白色光干渉スペクトルを復調することで、加えられた力とセンサー出力の線形関係が得られます。固定ビームプローブのコンパクトな構造、低剛性、高弾性を利用して、光ファイバーマイクロフォースセンサーの機械的検出感度を 1.51 nm/μN まで高め、検出限界を 54.9 nN まで低くしています。さらに、研究者らはこのセンサーを使用して、ポリジメチルシロキサン（PDMS）材料サンプルや蝶の触角などの生物サンプルのヤング率の正確な測定を実現しました（図1）。
この研究は、小型原子間力顕微鏡システムの実現に新たな解決策を提供するだけでなく、光ファイバー統合ポリマーマイクロナノセンサーの研究に新たなアイデアも提供し、材料の機械的特性や生物学的サンプルの検出の研究において幅広い応用の見通しを持っています。
図1 光ファイバマイクロフォースセンサーの構造的特徴と機械的センシングアプリケーション。 a 光ファイバーマイクロフォースセンサーの構造模式図、b 光ファイバー端面固定ビームプローブの SEM 画像、c PDMS を 20μm 押したときのセンサー反射スペクトルの変化、d 原子間力顕微鏡で測定した PDMS ヤング率の分布、e バタフライアンテナを押す固定ビームプローブの顕微鏡観察図 2 マイクロフォースセンサーの構造特性と静的性能。さまざまな高さでのクランプビームプローブの光学顕微鏡画像とそれに対応する反射スペクトル。 bdは、同じ微小力（1μN）下でのセンサーの曲げ変形のシミュレーション結果です。 e 異なる直径（10、5、3μm）のプローブに同じ微小力（1μN）を加えた場合のプローブ直径と曲げ変形の関係。
図4 実験セットアップa 測定システムのセットアップ、挿入図 b 点荷重下での片持ち梁のたわみの概略図図 9 デバイスの製造プロセス。 a フォトレジスト溶液を SMF の端面に一滴垂らし、カバーガラスをファイバーの片側に押し付けます。 b フェムト秒レーザーが光ファイバーの端面にあるクランプビームプローブ構造を重合し、カバーガラスが光ファイバーの片側に押し付けられて、重合プロセス中にフォトレジストが流れるのを防ぎます。 c 光ファイバーの上のカバーガラスを取り外し、アセトンとイソプロピルアルコールからなる洗浄液を使用して未硬化フォトレジストを洗浄します。 d TPPマイクロナノ加工の光路の模式図

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