《Sensors and Actuators A: Physical》：Strain and Salinity Sensing Characterization of Micron-sized Polymer Spring Sensing Structures in 3D Printed Microfluidic Channels
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基于双光子聚合3D打印技术，研制了集成微弹簧与微流道的光纤传感器，通过Fabry-Perot微腔与布拉格光栅协同实现应变-温度和盐度-温度双模式传感，应变灵敏度达77 pm/με（较同类高10倍），盐度灵敏度57 pm/‰，温度灵敏度164 pm/°C，有效消除交叉敏感，适用于海洋环境与结构健康监测。
陈茂清|何一阳|周正|李宁|何坤阳|王桥云|赵勇
中国东北大学过程工业合成自动化国家重点实验室，沈阳110819
摘要
本文基于双光子聚合3D打印制造工艺，介绍了一种基于微纳米级聚合物弹簧和微米级微流控通道的纤维应变与盐度双传感器。其原理是通过法布里-珀罗微腔产生干涉光谱，纤维内的布拉格光栅消除了温度串扰效应，并结合灵敏度矩阵解调方法实现了对两个参数的检测。实验结果表明，该聚合物弹簧的应变灵敏度高达77 pm/με，盐度灵敏度为57 pm/‰，温度灵敏度为164 pm/°C。其应变灵敏度几乎是类似传感器的10倍，并且具有优异的稳定性。靠近聚合物弹簧的微米级微流控通道扩展了其检测海水盐度的应用范围。基于双光子聚合3D打印技术，该传感器实现了极小体积、多种传感工作模式以及灵敏度与稳定性的平衡。
引言
盐度和应变监测在实际工程中是重要参数，在建筑结构监测、航空航天工业和海洋运输等行业中具有关键作用[1]、[2]。光纤应变和温度传感器因其抗电磁干扰特性、低制造成本以及小尺寸和高精度优势，在工业生产中具有非常重要的应用价值[3]、[4]、[5]、[6]。
随着光纤传感器应用的不断推广，盐度和应变检测中的温度串扰问题越来越受到关注。通过结合多传感器结构中的灵敏度系数矩阵来实现两个参数的同时测量是一种有效的解决方案，常见的方法包括：多法布里-珀罗（FP）微腔滤波器解调[7]、[8]、光纤布拉格光栅（FBG）-FP级联解调[9]、[10]、干涉仪并行结构解调[11]等。
为了制造出性能优异的光纤应变和温度传感器，人们提出了放电熔融键合[12]、[13]、化学蚀刻[14]和飞秒激光刻写[15]、[16]、[17]等方法，但这些方法存在可重复性差和应变灵敏度低的问题，限制了其发展。近年来，基于飞秒激光的双光子聚合三维（3D）打印技术因其良好的可重复性和高加工精度而受到关注[18]、[19]、[20]、[21]。
本文提出了一种聚合物弹簧型传感结构。这种弹簧型微腔夹在两根光纤之间，实现了灵敏的应变检测。此外，设计的微流控通道将测量的海水引导至弹簧结构区域，从而构建了一个能够同时检测盐度和应变的光纤传感系统。核心结构采用双光子聚合3D打印技术在光纤末端和硅基底上制造。刻在核心内的布拉格光栅为盐度或应变检测提供温度指示，避免了温度串扰的影响，实现了盐度和温度的双参数检测工作模式。
为了解决双参数测量中的交叉灵敏度问题，我们设计了一种由级联FP微腔和FBG组成的复合传感结构。FP微腔作为主要传感单元，分别具有77 pm/με的应变灵敏度、57 pm/‰的盐度灵敏度和164 pm/°C的温度灵敏度。同时，FBG作为独立的温度参考元件集成在光纤核心内，对盐度不敏感，其应变和温度灵敏度分别为0.9 pm/με和10 pm/°C。通过利用FP腔的全响应特性和FBG的选择性响应特性，我们能够利用二维矩阵精确解调并同时测量两个环境参数，有效消除温度串扰的影响。本文提出并验证了一种基于级联FP微腔和FBG的光纤传感系统，该系统可根据实际需求在两种独立的双参数测量模式下工作：1）作为结构健康监测等场景下的温度和应变传感器；2）作为海洋环境监测中的温度和盐度传感器。核心传感结构的微米级体积及其优异的灵敏度展示了其在复杂环境中的精确检测潜力。
结构与系统设计
所提出的聚合物弹簧型传感结构的示意图如图1(a)所示。在该结构中，双光子聚合3D打印的弹簧结构被安装在清洁后的单模光纤的端面，并用胶水粘接到另一根单模光纤上。通过光纤间隙中的弹簧型干涉微腔，实现了高灵敏度和高重复性的应变检测结构。物理示意图见图1(b)、1
传感器制备与组装
我们使用双光子聚合3D打印系统（Nanoscribe Photonic Professional GT2）制备了核心的聚合物弹簧结构（见图5）。激光强度设置为40 mW，激光扫描速度为10000 μm/s，激光层扫描间隔为300 nm，并在光纤前进方向1 μm处开始扫描，以增强弹簧结构与光纤端面的粘合力。首先，使用一根单模光纤（芯径8.2 μm，包层125 μm）...
应变检测实验
为了研究所提出的弹簧型FP传感器的应变响应特性，构建了实验装置（示意图见图3），并将超连续光源和光源光谱仪通过环形器连接到传感器上。六维位移平台两个固定装置之间的距离为1 cm，位移平台的粗调精度为10 μm...
结论
本文提出了一种基于聚合物弹簧型干涉微腔和聚合物微流控通道的传感器。该传感器可在应变-温度和盐度-温度两种双参数工作模式下使用，具有体积小、集成度高的特点。其应变灵敏度比类似研究高出约10倍，并且在不考虑温度干扰的情况下具有优异的盐度响应能力。
作者贡献声明
赵勇：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、方法论。王桥云：可视化、验证、调查、资金获取。何坤阳：软件、资源、项目管理。李宁：可视化、监督、资源。周正：资金获取、正式分析、数据管理。何一阳：撰写 – 初稿、监督、项目管理、正式分析、数据管理。陈茂清：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究部分得到了中国国家自然科学基金（项目编号62475041、62205051）、中国国家重点研发计划（项目编号2024YFB4612400）、国家海洋石油天然气勘探工程技术研究中心、河北省自然科学基金（项目编号F2024501014、F2024501044）以及河北省高等教育科学研究项目（项目编号JZX2023009）的支持。
陈茂清出生于1992年10月，中国辽宁人。2015年在中国沈阳工业大学信息科学与工程学院获得学士学位，2020年在东北大学获得检测技术和自动化设备博士学位。2018年至2019年，他作为访问学者在美国伊利诺伊州西北大学智能结构与材料中心（CSSM）进行研究，期间获得了中国留学基金的资助。
