一种基于光弹性原理的柔性微探针及其使用方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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宄也 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，研宄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。
[0003] 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 Micr oengineering，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，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】
[0004] 本发明针对以上问题的提出，而研宄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：
[0005] 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。
[0006] 进一步地，所述柔性铰链应力测量区的宽度为50~80 μ m，所述弧形缺口的半径 为 140 ~300 μ m。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 进一步地，所述微探针受力端的长度大于基体端部的长度。
[0010] 进一步地，所述微探针的厚度为50~300 μ m。
[0011] 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：
[0012] ①将光源转化为偏振光后入射到柔性铰链应力测量区；
[0013] ②将待测力施加到微探针受力端；
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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：
【主权项】
1. 一种基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于，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。
2. 根据权利要求1所述的基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于，所述柔性铰链 应力测量区的宽度为50~80ym，所述弧形缺口的半径为140~300ym。
3. 根据权利要求2所述的基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于，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。
4. 根据权利要求3所述的基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于，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。
5. 根据权利要求1所述的基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于，所述微探针受 力端的长度大于基体端部的长度。
6. 根据权利要求1至5中任意一项所述的基于光弹性原理的柔性微探针，其特征在于， 所述微探针的厚度为50~300ym。
7. -种基于光弹性原理的柔性微探针的使用方法，其特征在于，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。
8. 根据权利要求7所述的基于光弹性原理的柔性微探针的使用方法，其特征在于，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。
9. 根据权利要求7所述的基于光弹性原理的柔性微探针的使用方法，其特征在于，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，1〇为入射光光强，A为入射光波长，〇 :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。
10. 根据权利要求9所述的基于光弹性原理的柔性微探针的使用方法，其特征在于，根 据计算所得的柔性铰链应力测量区的应力值〇 :，进一步计算微探针受力端所受力的大小， 计算公式为： F= 〇j/k 其中F为微探针受力端所受力，〇1为柔性铰链应力测量区的应力值，k为柔性铰链应 力测量区的应力值与微探针受力端所受力的比例系数。
【专利摘要】本发明公开了一种基于光弹性原理的柔性微探针及其使用方法，本发明所述的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，形成微探针结构，通过测量透过柔性铰链应力测量区与测量光路的偏振光光强改变量，建立起与微探针受力端处所受力的大小的关系，即可实现微力的测量。本发明以SU-8胶为微探针材料，加工工艺成本低、稳定性强，具有抗化学腐蚀性、良好的力学性能和生物兼容性、光应力系数大等优点。并且本发明为整体结构，无需装配，制作简单，有助于实现生物医学、材料化学等领域微操作技术的实用化。
【IPC分类】G01L1-24
【公开号】CN104807569
【申请号】CN201510233529
【发明人】褚金奎, 李双亮, 张然, 闵健, 陈永台
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月8日