带有复杂活动部件的3D打印光纤传感器

传感器对可控技术的重要性，在众多领域都是显而易见的，无论是从简单的家用电器，还是到可穿戴设备，甚至到航空应用，只有控制良好的流程才有被优化的可能。理想的传感器应该具有高敏感度，不易故障，并且易于集成到流程中等优点。光纤端面的微型传感器在这个方面具有巨大的潜力。这些传感器空间占有率小，可以轻松多路复用，并且不需要额外的外部能源供应。对于这些基于光纤的传感器的加工，双光子聚合技术已被证明是其完美的搭档。事实上，任何设计模型都能在微观尺寸上被实现。然而，大多数设计都是静态的，打印出来的部件在被加工出来后不能进行进一步的活动。

用于新一代传感器中的3D打印铰链和旋转轴

俄亥俄州代顿的美国空军技术学院的科研人员开发了新一代的基于光纤的传感器，其部件可实现动态旋转。他们使用牺牲支撑结构一步打印了智能化的3D微铰链和可活动部件。这种巧妙的设计和3D打印策略使优化的传感器（例如具有更高灵敏度的Fabry-Pérot传感器）和新型传感器（例如光纤上的3D打印转子）能应用于流量测量。

具有更高灵敏度的Fabry-Pérot传感器

Fabry-Pérot腔可能是最受欢迎的基于光纤的微型传感器。传感器的响应基于在腔体内部分反射表面之间循环的单色光的干涉。腔体光程的最小变化都会导致传感器输出的干涉发生变化。灵敏度随着腔内界面的反射率而增加。腔体中捕获的光越多，光谱响应就越清晰，即体现在更高的品质因子。

利用动态可旋转部件的新加工方式，代顿团队可以极大地提高传感器的灵敏度。他们设计了一款带有盖子的Fabry-Pérot腔体，该盖子可以通过主体上的一个微型铰链打开或关闭。这个小设计技巧使得科研人员可以在腔体的内壁上涂上一层反射金属层，并在第二步中关闭腔体。与没有涂层的器件相比，由此种方法加工出来的Fabry-Pérot腔，品质因子提高了两个数量级。

用于流量传感的3D打印微型转子

这种设计策略不仅可用于改进现有的传感器，该项目还旨在展示具有动态移动部件的新型传感器概念的可行性。在第二种设计中，研究人员在一根光纤的端面3D打印了一个微型转子。从转子上反射出的光脉冲可以被读取，因此该传感器可以被用于分析流速。

通过动态可旋转的3D微纳加工概念，研究人员展示了智能设计如何改进现有的传感器，并为整个新的微型化传感器概念铺平道路的能力。

想详细了解更多项目内容？请参考文献： https://doi.org/10.1002/adpr.202100359 和 https://doi.org/10.1021/acsami.2c01033

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视频信息

视频1: 光纤上3D打印的流量传感器（渲染动画）：转子被安装在光纤端面的一个偏心轴上，传感器的信号由通过光纤芯的反射光产生，以实现流量传感的应用。

视频2：光纤上流量传感器的模拟动画展示了如何使用3D打印技术在微观尺寸上实现旋转轴和铰链的加工。该视频录制于Nanoscribe软件DeScribe的打印预览。

GIF：在光纤上打印的带有活动盖罩的Fabry-Pérot腔（概念图和电镜图）：该活动盖使得在腔体的内壁涂抹反射涂层成为可能，显著提升了传感器的灵敏度。图片：资料来源见本文下方。

视频和图片来源：

Williams, Chandrahalim, et al. (2022), Adv. Photonics Res., 3: 2100359, DOI: 10.1002/adpr.202100359

Williams, Chandrahalim, et al. (2022), ACS Applied Materials & Interfaces 14 (17), DOI: 10.1021/acsami.2c01033