I ricercatori hanno sviluppato un minuscolo sensore di forza in fibra ottica in grado di misurare forze estremamente leggere esercitate da piccoli oggetti. Il nuovo sensore basato sulla luce supera i limiti dei sensori di forza basati su sensori microelettromeccanici (MEMS) e potrebbe essere utile per applicazioni dai sistemi medici alla produzione.

"Le applicazioni per il rilevamento della forza sono numerose, ma mancano sensori di forza completamente miniaturizzati e versatili in grado di eseguire misurazioni di forza su piccoli oggetti, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Denis Donlagic dell'Università di Maribor in Slovenia. "Il nostro sensore aiuta a soddisfare questa esigenza essendo uno dei sensori di forza a fibra ottica più piccoli e versatili progettati finora".

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , Donlagic e Simon Pevec descrivono il loro nuovo sensore, che è fatto di vetro di silice formato in un cilindro di soli 800 micron di lunghezza e 100 micron di diametro, all'incirca lo stesso diametro di un capello umano. Dimostrano la capacità del nuovo sensore di misurare la forza con una risoluzione migliore di un micronewton, utilizzandolo per misurare la rigidità di un seme di dente di leone o la tensione superficiale di un liquido.

"Il rilevamento della forza ad alta risoluzione e l'ampio campo di misura potrebbero essere utilizzati per la manipolazione e la lavorazione sensibili di piccoli oggetti, misure di tensione superficiale su piccolissimi volumi di liquido, e manipolare o esaminare le proprietà meccaniche di campioni biologici a livello cellulare, " disse Donlagico.

Creazione di un sensore tutto vetro

Sebbene i sensori basati su MEMS possano fornire capacità di rilevamento della forza in miniatura, le loro applicazioni sono limitate perché richiedono imballaggi protettivi specifici per l'applicazione e connessioni elettriche multiple. Senza un imballaggio adeguato, I dispositivi MEMS inoltre non sono biocompatibili e non possono essere immersi in acqua.

Per sviluppare un sensore di forza in miniatura più versatile, i ricercatori hanno creato un sensore completamente in fibra ottica completamente in vetro. La complessa impresa è stata resa possibile da uno speciale processo di incisione che i ricercatori avevano precedentemente sviluppato per creare complicate microstrutture interamente in fibra. Hanno usato questo processo di microlavorazione per creare un sensore basato su un interferometro Fabry-Perot, una cavità ottica costituita da due superfici riflettenti parallele.

L'estremità della fibra di ingresso del sensore insieme a un sottile diaframma di silice flessibile è stata utilizzata per creare il minuscolo interferometro. Quando viene esercitata una forza esterna su un perno di silice con una sonda di rilevamento della forza rotonda o cilindrica all'estremità, cambia la lunghezza dell'interferometro in un modo che può essere misurato con risoluzione subnanometrica.

Il modo in cui sono state fabbricate le strutture del sensore ha creato una cavità a tenuta d'aria protetta dalla contaminazione e adatta all'uso in ambienti biochimici. Non solo può essere immerso in una varietà di liquidi, ma può anche misurare forze positive e negative e non necessita di alcun imballaggio aggiuntivo per la maggior parte delle applicazioni.

Misurare piccole forze

Dopo aver valutato e calibrato il sensore, i ricercatori lo hanno usato per misurare il modulo di Young, una misura della rigidità, di un capello umano e di un comune seme di dente di leone. Hanno anche misurato la tensione superficiale di un liquido misurando la forza di retrazione quando un cilindro in miniatura è stato rimosso da un liquido. I ricercatori sono stati in grado di misurare la forza con una risoluzione di circa 0,6 micronewton e un intervallo di forza di circa 0,6 millinewton.

"La punta di rilevamento della forza può essere notevolmente ridotta, fino a circa 10 micron di diametro, e può essere adattata per eseguire varie attività di rilevamento della forza, " ha affermato Donlagic. "Il sensore di forza in miniatura può essere utilizzato anche per creare sensori più complessi come sensori che misurano campi magnetici ed elettrici o determinano la tensione superficiale o il flusso di un liquido".

I ricercatori affermano che la versione attuale del sensore è pronta per l'uso. Però, migliorando la robustezza al sovraccarico, la produzione di punte per sonde con altre forme o l'aggiunta di imballaggi miniaturizzati potrebbe espandere ulteriormente le potenziali applicazioni. I ricercatori stanno anche lavorando per automatizzare i processi utilizzati per fabbricare il sensore per renderlo più pratico.