Los investigadores han desarrollado un pequeño sensor de fuerza de fibra óptica que puede medir fuerzas extremadamente leves ejercidas por objetos pequeños. El nuevo sensor basado en luz supera las limitaciones de los sensores de fuerza basados ​​en sensores microelectromecánicos (MEMS) y podría ser útil para aplicaciones desde sistemas médicos hasta fabricación.

"Las aplicaciones para la detección de fuerza son numerosas, pero hay una falta de sensores de fuerza versátiles y completamente en miniatura que puedan realizar mediciones de fuerza en objetos pequeños, ", dijo el líder del equipo de investigación Denis Donlagic de la Universidad de Maribor en Eslovenia." Nuestro sensor ayuda a satisfacer esta necesidad como uno de los sensores de fuerza de fibra óptica más pequeños y versátiles diseñados hasta ahora ".

En la revista The Optical Society (OSA) Letras de óptica , Donlagic y Simon Pevec describen su nuevo sensor, que está hecho de vidrio de sílice formado en un cilindro de solo 800 micrones de largo y 100 micrones de diámetro, aproximadamente el mismo diámetro que un cabello humano. Demuestran la capacidad del nuevo sensor para medir la fuerza con una resolución mejor que un micronewton usándolo para medir la rigidez de una semilla de diente de león o la tensión superficial de un líquido.

"La detección de fuerza de alta resolución y el amplio rango de medición se pueden utilizar para la manipulación sensible y el mecanizado de objetos pequeños, mediciones de tensión superficial en volúmenes muy pequeños de líquido, y manipular o examinar las propiedades mecánicas de muestras biológicas a nivel celular, "dijo Donlagic.

Creando un sensor totalmente de vidrio

Aunque los sensores basados ​​en MEMS pueden proporcionar capacidades de detección de fuerza en miniatura, sus aplicaciones son limitadas porque requieren empaques de protección específicos de la aplicación y múltiples conexiones eléctricas. Sin el embalaje adecuado, Los dispositivos MEMS tampoco son biocompatibles y no se pueden sumergir en agua.

Para desarrollar un sensor de fuerza en miniatura más versátil, los investigadores crearon un sensor de fibra óptica totalmente óptico hecho completamente de vidrio. La compleja empresa fue posible gracias a un proceso de grabado especial que los investigadores habían desarrollado previamente para crear complicadas microestructuras totalmente de fibras. Utilizaron este proceso de micromecanizado para crear un sensor basado en un interferómetro de Fabry-Perot, una cavidad óptica hecha de dos superficies reflectantes paralelas.

El extremo de la fibra de entrada del sensor junto con un diafragma de sílice flexible y delgado se utilizaron para crear el diminuto interferómetro. Cuando se ejerce una fuerza externa sobre un poste de sílice con una sonda de detección de fuerza redonda o cilíndrica en el extremo, cambia la longitud del interferómetro de una manera que se puede medir con una resolución subnanométrica.

La forma en que se fabricaron las estructuras del sensor creó una cavidad sellada al aire que está protegida de la contaminación y apta para su uso en entornos bioquímicos. No solo se puede sumergir en una variedad de líquidos, pero también puede medir fuerzas positivas y negativas y no necesita ningún embalaje adicional para la mayoría de las aplicaciones.

Midiendo fuerzas diminutas

Después de evaluar y calibrar el sensor, los investigadores lo usaron para medir el módulo de Young, una medida de rigidez, de un cabello humano y una semilla de diente de león común. También midieron la tensión superficial de un líquido midiendo la fuerza de retracción cuando se extraía un cilindro en miniatura de un líquido. Los investigadores pudieron medir la fuerza con una resolución de aproximadamente 0,6 micronewtons y un rango de fuerza de aproximadamente 0,6 milinewtons.

"La punta de detección de fuerza se puede hacer sustancialmente más pequeña, hasta aproximadamente 10 micrones de diámetro, y se puede adaptar para realizar varias tareas de detección de fuerza, ", dijo Donlagic." El sensor de fuerza en miniatura también se puede utilizar para crear sensores más complejos, como sensores que miden campos magnéticos y eléctricos o determinan la tensión superficial o el flujo de un líquido ".

Los investigadores dicen que la versión actual del sensor está lista para su uso. Sin embargo, mejorando la robustez de la sobrecarga, la producción de puntas de sonda con otras formas o la adición de envases miniaturizados podrían ampliar aún más las aplicaciones potenciales. Los investigadores también están trabajando para automatizar los procesos utilizados para fabricar el sensor para hacerlo más práctico.