球膜光学微纳牛力检测原理研究

针对微纳牛力传感器设计与应用中存在的问题，首次提出了球膜光学微纳牛力检测原理与设计理念。重点研究球膜光学微纳牛力测量系统的物理结构与测量模型，探索在球膜干涉效应下，nN级微力、球膜直径、厚度、干涉条纹变化量之间的关系，综合建立5参数的本构关系方程和变化趋势表。研究一次性和重复性两类球膜的配方、制备工艺，形成球型薄膜制备理论与技术。探索微力加载时，分子力、静电力、粘性力等外力综合作用下对球膜检测过程的扰动机理。研究不同频率光源、不同检测点对球膜干涉效应的影响，建立干涉条纹的数字化处理系统，实现球膜光学微纳牛力传感器的全自动化测试。在微操作平台上进行原理性试验，建立一套全新的球膜光学微纳牛力测试系统与测量理论，为我国微/纳机械传感与控制行业提供关键基础理论与支撑技术，并为生物医学、分子化学等微力检测领域带来经济效益和技术支持。

随着微纳米技术和生物医学技术的发展，微生物体、细胞、分子簇等领域对微纳牛力的测量已经成为关键的技术难题。为了实现微纳牛力测量，项目主要研究了两种不同结构的光学膜的力学特性和光学特性，以光学薄膜和光学球膜为微力传感器的敏感元件，建立了光学膜的直径、厚度、变形量等参数与微纳牛力之间的本构关系方程，实现了微纳牛力的检测。试验研究表明：光学薄膜量程测量微力范围0~10mN，可实现检测分辨率10μN，误差范围-1.5%~+2.5%；天然乳胶光学球膜测量微力范围1.85~10.84mN，可实现检测精度1.2%，测量分辨率小于50μN，误差范围-2.5%~5.5%；水溶性光学球膜测量微力范围65nN~1.105μN，可实现检测精度0.9%，测量分辨率小于33.4nN/pixel，误差范围-5.7%~6.2%。项目的研究为纳米制造业、生物学、医学、分子化学、遗传学（DNA）、环境检测(细菌)、食品工业（微生物）等领域提供一套全新的微纳牛力检测方法。