法布里-珀罗干涉传感原理
典型的法布里珀罗干涉仪（FPI）由两个平行的反射表面组成。本研究团队提出了一种新型FPI腔，如图1所示。厚度为h2的反射面具有刚性，防止应变位移，厚度为d的反射面为弹性膜片，可以实现压强传感。当弹性膜片受到合力作用产生轴向形变时，两反射面的间距变化会导致干涉光的光程差变化，进而引起干涉光谱的相位变化。因此，通过监测干涉峰的运动，可以反推出外部压力的变化。
图1 FPI微腔传感原理示意图
眼压传感器设计
在仿真基础上，设计了如图2(a)所示的传感器模型。传感器整体为倒置空心圆台结构，上表面是厚度为d、半径r1=150μm的圆形膜片，记为反射面1，另一端是半径r2=130μm的反射面2，两个反射面之间的空心部分为传感空气微腔，其高度h1 = 100 μm，反射面2下方的实心区域高度h2=30μm，内部结构如图2(b)所示。
传感器在液态环境中一体成型制造，腔体内会存留液体。为了便于排水，设计了四个排水孔，并在排水孔的外围设计了与其联通的储液槽和环形导流槽，光刻胶进入储液槽时将浸润所有排水孔，使传感微腔完全封闭，内部介质为常压空气。传感器膜片与侧壁顶部之间存在重合的平坦环形区域，采用如图2(c)所示的具有环形斜面的防反射结构，这种设计确保了任何照射到该区域的光都会被反射到空间中，避免该区域内的反射光影响干涉光谱。
图2 (a)传感器的结构模型；(b)传感器的侧截面图；(c)防反射结构示意图。
传感器建模完成后，应用双光子聚合3D打印以80MHz重复频率、10000μm/s写入速度制备传感器，成品的显微成像如图3(a)、(b)所示。之后利用三维位移平台和紫外光固化进行传感器密封，密封后的传感器如图3(c)所示，内腔中的介质为空气。
图3 (a)传感器顶部微成像；(b)传感器底部微成像；(c)密封后的传感器实物图
非接触式光学测量系统设计
为传感器设计的非接触式光学测量系统由三部分组成：光学定位探测装置、微型光谱仪(Mini-OSA)和计算机解调软件，如图4所示。光学定位探测装置获得的干涉光谱通过光纤传输到Mini-OSA，随后通过USB连接线传输实时显微图像和数字化光谱到计算机上进行显示和后续解调。
图4 非接触式光学测量系统
如图5所示，Mini-OSA是一个两级衍射光电转换系统，该系统将不同衍射角、不同波长的光同时分散到InGaAs光电探测器阵列的不同像素上，由硬件单元进行均匀读取并转换为光谱数据。Mini-OSA的检测范围为1525-1570 nm，像素数为256，光谱分辨率为170 pm，最大响应速度高达32.5 kHz。之后利用光谱寻峰算法对获取的光谱进行处理，实现计算机光谱解调。
图5 Mini-OSA内部结构示意图
性能测试
搭建了如图6(a)所示的压力调节装置，传感器放置在顶部透明的密闭容器中。装有一半水的瓶子下部与密闭容器相连，上部与注射器和数显压力计相连。根据波义尔定律，通过压缩注射器内的空气，密闭容器内的水压力将相应增加。然后将传感器、非接触式光学测量系统和压力调节装置组合在一起构成如图6(b)所示的实验装置。
图6 (a)压力调节装置原理图及实物图；(b)压力测试实验装置示意图
静态光谱分析
膜厚度为6μm的传感器在空气和水中产生的原始干涉光谱如图7(a)所示；两种介质中光谱数据的快速傅里叶变换（FFT）结果如图7(b)所示。结果表明，所设计的非接触式光学测量系统能够在空气和水环境中采集高质量的光谱。
图7 (a)传感器在纯水中和空气中的干涉光谱；(b)干涉光谱的FFT变换结果
动态重复测试
对膜片厚度为4μm和6μm的传感器进行了动态测试。从图8可以看出，随着压力的增加，光谱发生明显左移。干涉光谱形状在整个测试过程中保持不变，表明没有水渗到传感腔中，传感器密封性良好。
图8 4μm膜片厚度传感器在升压过程中的干涉光谱
下图显示了两个传感器的光谱峰值位置随施加压力的相对变化及拟合结果。4μm和6μm感应器的压强响应灵敏度分别为398pm/kPa和97pm/kPa，线性相关系数分别为0.997和0.996，表明光谱峰值位置的变化与压强之间具有良好的线性关系。
图9 灵敏度特性曲线及线性拟合结果
血管内压力导丝传感器设计
基于FPI传感原理所设计的微型传感器，除了可以实现眼压监测外，在血管介入方面也大有所为。本研究团队另外提出了一种基于双光子3D打印的具有四微腔FPI力传感结构微型传感器，可实现三轴力检测，并能够集成到现有血管导丝，用于在微创介入手术中实时监测导丝尖端与人体血管和组织之间的作用力，这一研究成果以“Two-photon 3D printed fiber-optic Fabry-Perot probe for triaxial contact force detection of guidewire tips”为题被Photonics Research接收。
所设计的传感器具有对称布置的柔性结构，由制备好的圆形基底、4个微柱、4个圆形膜片和4个对称排列的微腔组成，结构设计如图10所示。
图10 (a)集成在用于接触力监测的医用导丝中的三轴力传感器的概念图；(b)集成在导丝尖端的三轴力传感器的截面视图；(c)传感器与导丝一体化过程；(d)单FPI微腔中圆形膜片的力致变形及光干涉示意图
该传感器的核心部件是四微腔FPI力传感器结构，通过双光子打印集成。打印出的切割块具有较高的精度，并且可以实现对所设计传感器模型的高度还原，如图11所示。最终通过微操作平台，实现传感器和导线的集成。
图11 所设计传感器实际TPP的SEM图像
综上所述，本研究团队提出的由双光子打印实现的法珀腔微型光学液压传感器体积小、灵敏度高，搭配非接触式光学测量系统，可实现眼前房等狭小液体空间内的非接触式压力检测，也可以作为集成到微创手术介入设备上的有效监测工具。
参考来源：
[1] DE BERNARDO M, CEMBALO G, ROSA N. Reliability of intraocular pressure measurement by Goldmann applanation tonometry after refractive surgery: a review of different correction formulas[J]. Clinical Ophthalmology, 2020, 14: 2783-2788.
[2] RAVEENDRAN R, PRABAKARAN L, SENTHIL R, et al. Current innovations in intraocular pressure monitoring biosensors for diagnosis and treatment of glaucomanovel strategies and future perspectives[J]. Biosensors, 2023, 13(6): 663.
[3] Su H, Iordachita I I, Tokuda J, et al. Fiber-optic force sensors for mri-guided interventions and rehabilitation: a review[J]. IEEE Sensors Journal, 2017, 17(7): 1952–1963.
[4] 赵圆圆，罗海超，梁紫鑫等. 光聚合微纳 3D 打印技术的发展现状与趋势[J]. 中国激光, 2022, 49(10): 330-359.
