[发明专利]一种基于光弹性原理的柔性微探针及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域中的微传感器技术领域，特别涉及一种基于光弹性原理的柔性微探针及其使用方法。

背景技术

随着生物医学、材料化学等领域的迅猛发展，对具有微纳米级尺度物体的研究也越来越多，如在生物医学学科中对细胞表面张力的探测，材料化学中对碳纳米管拉伸强度和扭转强度的测量等。因此，研究开发出能够有效检测出微尺度下力的大小的微探针能够有效地促进这些学科的发展，具有重要的意义。

目前微探针的主要种类有：1、利用梳齿结构，通过测量由梳齿组成的电容组电容值的变化，实现对微探针末端力的测量，见文献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 Microengineering,2010,20(2):025011。但梳齿结构在制作过程中成本较高，并且局部梳齿的破坏会导致整个梳齿结构的破坏；2、利用压阻材料，通过集成的惠更斯电桥测量微探针阻值的变化，从而测量出微力的大小，见文献Komati B,Agnus J,Clévy C,et al.Prototyping of a highly performant and integrated piezoresistive force sensor for microscale applications[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2014,24(3):035018。但测量结果容易受热场的影响，使测量结果产生热漂移；3、利用原子力学显微镜悬臂梁结构，通过检测悬臂梁转动的角度，从而实现微力的测量，见文献Hugel T,Seitz M.The study of molecular interactions by AFM force spectroscopy[J].Macromolecular rapid communications,2001,22(13):989-1016。但使用原子力学显微镜悬臂梁设备成本较高，且不便于操作与对准。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种基于光弹性原理的柔性微探针及其使用方法。本发明采用的技术手段如下：

一种基于光弹性原理的柔性微探针，为以SU-8胶为材料的整体结构，包括微探针受力端和微探针基体，所述微探针基体包括基体端部和基体尾部，所述基体端部和微探针受力端设置于基体尾部的同一侧；所述微探针受力端与基体尾部连接的一端、靠近基体端部的一侧设有弧形缺口，形成柔性铰链应力测量区。

进一步地，所述柔性铰链应力测量区的宽度为50～80μm，所述弧形缺口的半径为140～300μm。

进一步地，所述微探针受力端靠近基体端部的一侧设有凸起Ⅰ，基体端部与凸起Ⅰ的对应位置处设有凸起Ⅱ，所述凸起Ⅰ与凸起Ⅱ通过U型环连接，所述U型环的开口背向基体尾部。

进一步地，所述基体端部靠近微探针受力端的一侧设有凸起Ⅲ，作为微探针保护结构。

进一步地，所述微探针受力端的长度大于基体端部的长度。

进一步地，所述微探针的厚度为50～300μm。

一种基于光弹性原理的柔性微探针的使用方法，包括以下步骤：

①将光源转化为偏振光后入射到柔性铰链应力测量区；

②将待测力施加到微探针受力端；

③检测柔性铰链应力测量区的出射光，并通过入射光和出射光的关系计算柔性铰链应力测量区的应力值。

进一步地，步骤①采用激光光源，激光光源发射出的激光经过起偏振镜变为只在一个平面内的平面偏振光，然后经过一个1/4玻片变为圆偏振光。

进一步地，步骤③中，检测透过柔性铰链应力测量区前后的偏振光相位的改变，通过1/4玻片和检偏振镜将相位的改变转化为光强的改变，进而对柔性铰链应力测量区的应力值进行计算，应力值的计算公式为：

其中，I为出射光光强，I₀为入射光光强，λ为入射光波长，σ₁为柔性铰链应力测量区的应力值，C为光学应力常数，t为微探针的厚度。

进一步地，根据计算所得的柔性铰链应力测量区的应力值σ₁，进一步计算微探针受力端所受力的大小，计算公式为：