光学力传感器具有多个优势，例如免疫电磁干扰，在生物医学应用中没有电击危险，以及与电力传感器相比，只需单根光纤就可进行长距离测量。光学力传感器的典型示例是基于Fabry-Pérot干涉仪（FPI）的力传感器，该力传感器用于监视各种生物信号，例如血压，椎间盘内压力，颅内压和眼内压等。基于FPI的力传感器的灵敏度不仅取决于每单位力的膜片挠度，还取决于每单位挠度的共振波长偏移。但是后者在FPI的每个共振模式下都是常数。因此，传感器的灵敏度仅取决于膜片的挠曲，这导致了高灵敏度和最大承受力之间的权衡。与FPI一样，一些光子超材料也由于入射光和在它们中形成的亚波长结构之间的电磁相互作用而显示出光学共振响应。一种光子超材料是金属-绝缘体-金属（MIM）超材料，它在谐振波长下显示出反射率的下降。这种下降是由于在夹着绝缘层的两个金属层上的局部表面等离子体共振引起的光的吸收，这促使MIM超材料的广泛应用，例如折射率传感器，滤色器等。根据先前的研究，谐振波长取决于绝缘体层的厚度，并且当绝缘体层变窄时，谐振波长会发生急剧变化。单位厚度变化的这种偏移可能大于FPI；因此，有可能突破现有的光学力传感器。尽管到目前为止已经提出了几种具有纳米等离子体结构的力/压力/应变传感器，但是很少有关于在MIM超材料中利用绝缘体层厚度变化的力传感器的研究。

       近日，来自日本东北大学的Taiyu Okatani等人提出了基于金属-绝缘体-金属（MIM）超材料的表面等离子体激元耦合光学力传感器，其中可移动气隙作为绝缘体层。 MIM超材料由夹在金属纳米点阵列和金属膜片之间的气隙组成，当通过施加法向力使气隙变窄时，其谐振波长会发生红移。他们基于MIM超材料所设计并制造了的传感器可以用作比基于Fabry-Pérot干涉仪（FPI）的力传感器更大的灵敏度的力传感器。该工作于近日发表在《Nature Materials》上。（成程）

文章链接：Okatani, T., Sekiguchi, S., Hane, K. et al. Surface-plasmon-coupled optical force sensors based on metal–insulator–metal metamaterials with movable air gap. Sci Rep 10, 14807 (2020).
       https://doi.org/10.1038/s41598-020-71825-x

消息来源： 两江科技评论