一種基于光彈性原理的柔性微探針及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域中的微傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光彈 性原理的柔性微探針及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著生物醫(yī)學、材料化學等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，對具有微納米級尺度物體的研宄也 越來越多，如在生物醫(yī)學學科中對細胞表面張力的探測，材料化學中對碳納米管拉伸強度 和扭轉(zhuǎn)強度的測量等。因此，研宄開發(fā)出能夠有效檢測出微尺度下力的大小的微探針能夠 有效地促進這些學科的發(fā)展，具有重要的意義。
[0003] 目前微探針的主要種類有：1、利用梳齒結(jié)構(gòu)，通過測量由梳齒組成的電容組 電容值的變化，實現(xiàn)對微探針末端力的測量，見文獻Muntwyler S, Beyeler F, Nelson B J. Three-axis micro-force sensor with sub-micro-Newton measurement uncertainty and tunable force range [J]. Journal of Micromechanics and Micr oengineering，2010, 20(2) :025011。但梳齒結(jié)構(gòu)在制作過程中成本較高，并且局部梳 齒的破壞會導致整個梳齒結(jié)構(gòu)的破壞；2、利用壓阻材料，通過集成的惠更斯電橋測量 微探針阻值的變化，從而測量出微力的大小，見文獻Komati B, Agnus J，Cl6vy C，et al.Prototyping of a highly performant and integrated piezoresistive force sensor for microscale applications[J]. Journal of Micromechanics and Microe ngineering，2014, 24(3) :035018。但測量結(jié)果容易受熱場的影響，使測量結(jié)果產(chǎn)生熱漂 移；3、利用原子力學顯微鏡懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過檢測懸臂梁轉(zhuǎn)動的角度，從而實現(xiàn)微力的測 量，見文獻 Hugel T, Seitz M. The study of molecular interactions by AFM force spectroscopy [J]. Macromolecular rapid communications, 2001, 22 (13) : 989-1016。但使 用原子力學顯微鏡懸臂梁設備成本較高，且不便于操作與對準。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對以上問題的提出，而研宄設計一種基于光彈性原理的柔性微探針及其 使用方法。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：
[0005] 一種基于光彈性原理的柔性微探針，為以SU-8膠為材料的整體結(jié)構(gòu)，包括微探針 受力端和微探針基體，所述微探針基體包括基體端部和基體尾部，所述基體端部和微探針 受力端設置于基體尾部的同一側(cè)；所述微探針受力端與基體尾部連接的一端、靠近基體端 部的一側(cè)設有弧形缺口，形成柔性鉸鏈應力測量區(qū)。
[0006] 進一步地，所述柔性鉸鏈應力測量區(qū)的寬度為50~80 μ m，所述弧形缺口的半徑 為 140 ~300 μ m。
[0007] 進一步地，所述微探針受力端靠近基體端部的一側(cè)設有凸起I，基體端部與凸起 I的對應位置處設有凸起II，所述凸起I與凸起II通過U型環(huán)連接，所述U型環(huán)的開口背向 基體尾部。
[0008] 進一步地，所述基體端部靠近微探針受力端的一側(cè)設有凸起III，作為微探針保護 結(jié)構(gòu)。
[0009] 進一步地，所述微探針受力端的長度大于基體端部的長度。
[0010] 進一步地，所述微探針的厚度為50~300 μ m。
[0011] 一種基于光彈性原理的柔性微探針的使用方法，包括以下步驟：
[0012] ①將光源轉(zhuǎn)化為偏振光后入射到柔性鉸鏈應力測量區(qū)；
[0013] ②將待測力施加到微探針受力端；
[0014] ③檢測柔性鉸鏈應力測量區(qū)的出射光，并通過入射光和出射光的關(guān)系計算柔性鉸 鏈應力測量區(qū)的應力值。
[0015] 進一步地，步驟①采用激光光源，激光光源發(fā)射出的激光經(jīng)過起偏振鏡變?yōu)橹辉?一個平面內(nèi)的平面偏振光，然后經(jīng)過一個1/4玻片變?yōu)閳A偏振光。
[0016] 進一步地，步驟③中，檢測透過柔性鉸鏈應力測量區(qū)前后的偏振光相位的改變，通 過1/4玻片和檢偏振鏡將相位的改變轉(zhuǎn)化為光強的改變，進而對柔性鉸鏈應力測量區(qū)的應 力值進行計算，應力值的計算公式為：
【主權(quán)項】
1. 一種基于光彈性原理的柔性微探針，其特征在于，為以SU-8膠為材料的整體結(jié)構(gòu)， 包括微探針受力端和微探針基體，所述微探針基體包括基體端部和基體尾部，所述基體端 部和微探針受力端設置于基體尾部的同一側(cè)；所述微探針受力端與基體尾部連接的一端、 靠近基體端部的一側(cè)設有弧形缺口，形成柔性鉸鏈應力測量區(qū)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光彈性原理的柔性微探針，其特征在于，所述柔性鉸鏈 應力測量區(qū)的寬度為50~80ym，所述弧形缺口的半徑為140~300ym。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光彈性原理的柔性微探針，其特征在于，所述微探針受 力端靠近基體端部的一側(cè)設有凸起I，基體端部與凸起I的對應位置處設有凸起II，所述 凸起I與凸起II通過U型環(huán)連接，所述U型環(huán)的開口背向基體尾部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光彈性原理的柔性微探針，其特征在于，所述基體端部 靠近微探針受力端的一側(cè)設有凸起III，作為微探針保護結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光彈性原理的柔性微探針，其特征在于，所述微探針受 力端的長度大于基體端部的長度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的基于光彈性原理的柔性微探針，其特征在于， 所述微探針的厚度為50~300ym。
7. -種基于光彈性原理的柔性微探針的使用方法，其特征在于，包括以下步驟： ① 將光源轉(zhuǎn)化為偏振光后入射到柔性鉸鏈應力測量區(qū)； ② 將待測力施加到微探針受力端； ③ 檢測柔性鉸鏈應力測量區(qū)的出射光，并通過入射光和出射光的關(guān)系計算柔性鉸鏈應 力測量區(qū)的應力值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光彈性原理的柔性微探針的使用方法，其特征在于，步 驟①采用激光光源，激光光源發(fā)射出的激光經(jīng)過起偏振鏡變?yōu)橹辉谝粋€平面內(nèi)的平面偏振 光，然后經(jīng)過一個1/4玻片變?yōu)閳A偏振光。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光彈性原理的柔性微探針的使用方法，其特征在于，步 驟③中，檢測透過柔性鉸鏈應力測量區(qū)前后的偏振光相位的改變，通過1/4玻片和檢偏振 鏡將相位的改變轉(zhuǎn)化為光強的改變，進而對柔性鉸鏈應力測量區(qū)的應力值進行計算，應力 值的計算公式為：
其中，I為出射光光強，1〇為入射光光強，A為入射光波長，〇 :為柔性鉸鏈應力測量區(qū) 的應力值，C為光學應力常數(shù)，t為微探針的厚度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于光彈性原理的柔性微探針的使用方法，其特征在于，根 據(jù)計算所得的柔性鉸鏈應力測量區(qū)的應力值〇 :，進一步計算微探針受力端所受力的大小， 計算公式為： F= 〇j/k 其中F為微探針受力端所受力，〇1為柔性鉸鏈應力測量區(qū)的應力值，k為柔性鉸鏈應 力測量區(qū)的應力值與微探針受力端所受力的比例系數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光彈性原理的柔性微探針及其使用方法，本發(fā)明所述的基于光彈性原理的柔性微探針為以SU-8膠為材料的整體結(jié)構(gòu)，包括微探針受力端和微探針基體，所述微探針基體包括基體端部和基體尾部，所述基體端部和微探針受力端設置于基體尾部的同一側(cè)，形成微探針結(jié)構(gòu)，通過測量透過柔性鉸鏈應力測量區(qū)與測量光路的偏振光光強改變量，建立起與微探針受力端處所受力的大小的關(guān)系，即可實現(xiàn)微力的測量。本發(fā)明以SU-8膠為微探針材料，加工工藝成本低、穩(wěn)定性強，具有抗化學腐蝕性、良好的力學性能和生物兼容性、光應力系數(shù)大等優(yōu)點。并且本發(fā)明為整體結(jié)構(gòu)，無需裝配，制作簡單，有助于實現(xiàn)生物醫(yī)學、材料化學等領(lǐng)域微操作技術(shù)的實用化。
【IPC分類】G01L1-24
【公開號】CN104807569
【申請?zhí)枴緾N201510233529
【發(fā)明人】褚金奎, 李雙亮, 張然, 閔健, 陳永臺
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月8日