Os pesquisadores desenvolveram um minúsculo sensor de força de fibra óptica que pode medir forças extremamente leves exercidas por pequenos objetos. O novo sensor baseado em luz supera as limitações dos sensores de força baseados em sensores microeletromecânicos (MEMS) e pode ser útil para aplicações de sistemas médicos à fabricação.

"As aplicações para detecção de força são numerosas, mas faltam sensores de força totalmente miniaturizados e versáteis que possam realizar medições de força em pequenos objetos, "disse o líder da equipe de pesquisa Denis Donlagic, da Universidade de Maribor, na Eslovênia." Nosso sensor ajuda a atender a essa necessidade como um dos menores e mais versáteis sensores de força de fibra óptica projetados até agora. "

No jornal The Optical Society (OSA) Cartas de Óptica , Donlagic e Simon Pevec descrevem seu novo sensor, que é feito de vidro de sílica formado em um cilindro de apenas 800 mícrons de comprimento e 100 mícrons de diâmetro - aproximadamente o mesmo diâmetro de um cabelo humano. Eles demonstram a capacidade do novo sensor de medir a força com uma resolução melhor do que um micronewton, usando-o para medir a rigidez de uma semente de dente-de-leão ou a tensão superficial de um líquido.

"O sensor de força de alta resolução e a ampla faixa de medição podem ser usados ​​para manipulação sensível e usinagem de pequenos objetos, medições de tensão superficial em volumes muito pequenos de líquido, e manipular ou examinar as propriedades mecânicas de amostras biológicas no nível celular, "disse Donlagic.

Criação de um sensor totalmente em vidro

Embora os sensores baseados em MEMS possam fornecer recursos de detecção de força em miniatura, suas aplicações são limitadas porque requerem embalagem protetora específica da aplicação e múltiplas conexões elétricas. Sem embalagem adequada, Os dispositivos MEMS também não são biocompatíveis e não podem ser imersos em água.

Para desenvolver um sensor de força em miniatura mais versátil, os pesquisadores criaram um sensor de fibra óptica totalmente feito de vidro. O empreendimento complexo foi possível graças a um processo de corrosão especial que os pesquisadores desenvolveram anteriormente para criar microestruturas complicadas totalmente de fibra. Eles usaram esse processo de microusinagem para criar um sensor baseado em um interferômetro Fabry-Perot - uma cavidade óptica feita de duas superfícies paralelas reflexivas.

A extremidade da fibra de entrada do sensor juntamente com um diafragma de sílica flexível e fino foram usados ​​para criar o minúsculo interferômetro. Quando a força externa é exercida sobre um pino de sílica com uma sonda de detecção de força redonda ou cilíndrica na extremidade, ele muda o comprimento do interferômetro de uma forma que pode ser medido com resolução de subnanômetro.

A forma como as estruturas do sensor foram fabricadas criou uma cavidade selada a ar que é protegida de contaminação e adequada para uso em ambientes bioquímicos. Não só pode ser imerso em uma variedade de líquidos, mas também pode medir forças positivas e negativas e não precisa de nenhum pacote adicional para a maioria das aplicações.

Medindo pequenas forças

Depois de avaliar e calibrar o sensor, os pesquisadores usaram para medir o módulo de Young - uma medida de rigidez - de um cabelo humano e uma semente de dente-de-leão comum. Eles também mediram a tensão superficial de um líquido medindo a força de retração quando um cilindro em miniatura foi removido de um líquido. Os pesquisadores foram capazes de medir a força com uma resolução de cerca de 0,6 micronewtons e uma faixa de força de cerca de 0,6 millinewtons.

"A ponta de detecção de força pode ser substancialmente menor - até cerca de 10 mícrons de diâmetro - e pode ser adaptada para realizar várias tarefas de detecção de força, "disse Donlagic." O sensor de força em miniatura também pode ser usado para criar sensores mais complexos, como sensores que medem campos magnéticos e elétricos ou determinam a tensão superficial ou fluxo de um líquido. "

Os pesquisadores afirmam que a versão atual do sensor está pronta para uso. Contudo, melhorando a robustez da sobrecarga, a produção de pontas de sonda com outros formatos ou a adição de embalagens miniaturizadas podem expandir ainda mais as aplicações potenciais. Os pesquisadores também estão trabalhando para automatizar os processos de fabricação do sensor para torná-lo mais prático.