微流體流速傳感芯片、檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，特別設(shè)及了一種基于光熱光纖微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵 的微流體（Microfluidic)流速傳感巧片，檢測(cè)系統(tǒng)W及檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 得益于其微米級(jí)別的尺寸，微流技術(shù)近幾十年來在化學(xué)分析、生物醫(yī)學(xué)W及細(xì)胞 生物檢測(cè)等方面得到巨大的發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)微流技術(shù)應(yīng)用于小樣品的計(jì)數(shù)、分離或者檢測(cè) 時(shí)，如何準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)微流液體的流速測(cè)量是決定結(jié)果靈敏度和分辨率的重要一環(huán)。常用的微 流液體流速檢測(cè)系統(tǒng)基于微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)，采用懸臂擾度、熱電轉(zhuǎn)換等電學(xué)及機(jī)械的 檢測(cè)方案。但該類檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的同時(shí)也存在高成本、制備復(fù)雜的缺點(diǎn)。
[0003] 由于光纖型微流體傳感技術(shù)能夠在實(shí)現(xiàn)低成本的同時(shí)具備抗電磁干擾、抗腐蝕、 遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)等等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛的關(guān)注。"Microfluidicflowratedetection basedonintegratedopticalfibercantilever"（LienV. ,VollmerF. ,Labona 化ip, 2007, 7 (10) : 1352-1356) -文提出了利用光纖懸臂實(shí)現(xiàn)微流體流速傳感的技術(shù)，該方 案利用微流體對(duì)光纖的彎曲作用改變兩對(duì)準(zhǔn)光纖的禪合效率實(shí)現(xiàn)流速到光功率的轉(zhuǎn)換。但 該種方案對(duì)操作要求高，探測(cè)靈敏度低，且懸浮的光纖會(huì)給微流體帶來一定的干擾和污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種微流體流速傳感巧片、檢測(cè)系統(tǒng) 及檢測(cè)方法。本發(fā)明基于光熱光纖W及微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵結(jié)構(gòu)，將微流通道嵌入傳感 單元當(dāng)中，具備集成度高，測(cè)量準(zhǔn)確，靈敏度及空間分辨率高，抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，不僅適于 單點(diǎn)流速測(cè)量，同樣可W實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)準(zhǔn)分布式流速監(jiān)控。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的；一種基于微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵的 微流體流速傳感巧片，包括基于微結(jié)構(gòu)布拉格光柵的流速傳感單元和微流巧片；其中，所述 基于光熱光纖微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵的流速傳感單元包括第一單模光纖、光熱光纖和第二 單模光纖；光熱光纖的兩端分別烙接第一單模光纖和第二單模光纖，光熱光纖經(jīng)過載氨處 理，其上利用相位掩模法制備微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵，在微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵區(qū)域中部 位置側(cè)面開有一個(gè)寬L和深H的微流槽；所述微流巧片中具有相互垂直的光纖通道和微流 體通道，光纖通道的長、寬都與第一單模光纖和第二單模光纖的裸纖直徑一致，微流通道的 大小則與微流槽大小一致；基于微結(jié)構(gòu)布拉格光柵的流速傳感單元插入微流巧片的光纖通 道，微流槽與微流通道對(duì)準(zhǔn)齊平后用粘膠固定。
[0006] 一種含有上述傳感巧片的微流體流速檢測(cè)系統(tǒng)，還包括累浦光源、探測(cè)光源、光纖 環(huán)形器、光譜儀W及波分復(fù)用器；其中，所述累浦光源與波分復(fù)用器的累浦輸入端口連接； 波分復(fù)用器的公共端口與第一單模光纖相連，探測(cè)光源與光纖環(huán)形器的輸入端口連接，光 纖環(huán)形器的輸出端口與光譜儀相連，光纖環(huán)形器的反射端口與波分復(fù)用器的信號(hào)輸入端口 連接。
[0007] 一種應(yīng)用上述系統(tǒng)的微流體流速檢測(cè)方法，包括w下步驟：
[000引 （1)開啟累浦激光器，累浦光經(jīng)由波分復(fù)用器進(jìn)入微流體流速傳感巧片的光熱光 纖上，光熱光纖吸收累浦光發(fā)熱使得微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵溫度上升并最終穩(wěn)定后，開啟 光譜儀W及探測(cè)光源，探測(cè)光經(jīng)由光纖環(huán)形器、波分復(fù)用器、輸入單模光纖進(jìn)入微結(jié)構(gòu)相移 布拉格光柵；微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵的反射譜信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器、光纖環(huán)形器傳輸?shù)焦庾V 儀內(nèi)；
[0009] (2)微流傳感巧片的微流通道內(nèi)通入待測(cè)微流體，由于微流體的流動(dòng)帶走微結(jié)構(gòu) 相移布拉格光柵的微流槽內(nèi)的一部分熱量，使得光纖微流槽區(qū)域溫度下降，通過熱光效應(yīng) 及熱膨脹效應(yīng)引起了微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵的相移量的變化，在光譜儀上表現(xiàn)為反射峰內(nèi) 分裂波長的漂移；根據(jù)光譜儀上對(duì)該分裂波長的漂移量的監(jiān)測(cè)，通過下式即可得到微流體 的流速大?。?br>[0010]
[0011] 式中，AA為微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵的分裂波長的漂移量，L為微流槽的寬度，As 為微結(jié)構(gòu)相移光柵分裂波長，rwf為模式有效折射率，AAW。為所刻寫的布拉格光柵的全譜 帶寬，^為光纖的熱光系數(shù)，^為光纖的熱膨脹系數(shù)，Q為光纖損失的熱量，A、B和n為 參數(shù)。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：
[0013] 1、本發(fā)明制備的微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵上微流槽的存在大大減小了光熱光纖巧 層（導(dǎo)光部分）與微流體的距離，增加了光纖于外界的熱交換能力進(jìn)而大幅提高了測(cè)量的 靈敏度。同時(shí)，微結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵反射峰高精細(xì)度的分裂光譜，也保證了本發(fā)明具備高 分辨率的優(yōu)點(diǎn)。
[0014] 2、本發(fā)明中微流槽作為微流通道的一部分，其大小與微流通道相契合，保證了傳 感器的加入不會(huì)對(duì)微流體的流動(dòng)過程引入干擾。保證了本發(fā)明高集成度，強(qiáng)抗干擾性的優(yōu) 點(diǎn)。
[0015] 3、微結(jié)構(gòu)布拉格光柵反射峰的包絡(luò)可W進(jìn)一步作為其他傳感參量的解調(diào)依據(jù)，如 溫度等，使得本發(fā)明兼具多參量解調(diào)的可能性。同時(shí)光纖百微米級(jí)直徑的尺寸，也保證了流 速傳感的空間分辨率，可W實(shí)現(xiàn)點(diǎn)流速的測(cè)量，具備多點(diǎn)準(zhǔn)分布式流速檢測(cè)的能力。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的流速傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明微流體流速傳感巧片裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3是利用本發(fā)明進(jìn)行微流體流速檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明是基于在光熱光纖制備布拉格光柵并在光柵中部刻寫微流槽形成微結(jié)構(gòu) 相移光柵的結(jié)構(gòu)。其原理是由于不同流速的流體帶走光熱光纖微流槽部分的熱量不同，弓I 起微結(jié)構(gòu)相移光柵相移量的改變，最終引起相移光柵分裂點(diǎn)波長的漂移。
[0020] 具體來講，本發(fā)明所用的光熱光纖是一種巧層滲雜了鉆元素的特種光纖，在一定 光譜帶寬內(nèi)（通常為1100-1550nm)對(duì)輸入光呈現(xiàn)寬譜吸收特性。其吸收的強(qiáng)度取決于滲 雜的濃度，并且吸收過程為無福射躍遷吸收，因此吸收的光能量最終轉(zhuǎn)化成熱，引起光纖溫 度的升高。通過選擇不同吸收系數(shù)的光熱光纖W及改變累浦激光的功率，可W方便的控 制光纖最終加熱的溫度。當(dāng)光熱光纖處在微流體環(huán)境中時(shí)，其最終的能加熱到的溫度，取 決于光纖和周圍流體的動(dòng)態(tài)熱平衡。當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，光纖產(chǎn)生的一部分熱量會(huì)被帶走，在 一定流速下熱交換會(huì)達(dá)到一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡，使得光纖的最終溫度有所降低。根據(jù)"熱線 化ot-wire)"風(fēng)速儀的熱平衡理論，光纖損失的熱量與微流體流速的存在下面的關(guān)系： [002UQ=(A+B0AT(1)
[0022] 其中，u是微流體流速，AT是光熱光纖的溫度變化量，A、B和n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，跟流 體性質(zhì)和微流槽環(huán)境有關(guān)。該些參數(shù)都可W通過標(biāo)定后的數(shù)據(jù)擬合獲得。
[0023] 基于該一機(jī)理，本發(fā)明所用的傳感單元采用在光熱光纖上制備的相移布拉格光柵 結(jié)構(gòu)。具體的，在光熱光纖上刻寫好一個(gè)布拉格光柵后，在光柵的中間部位利用飛秒激光或 者聚焦離子束曝光技術(shù)加工出一個(gè)側(cè)方貫通的微流體通道。通道寬度在幾十到百微米量 級(jí)，深度不超過50微米，W避免外界折射率對(duì)光熱光纖中基模的影響。由于微流體通道的 存在，使得微流槽處的光纖溫度分布發(fā)生變化，引起折射率和光柵周期的微擾，等效于在均 勻分布的布拉格光柵中引入了相位突變，因此在該一結(jié)構(gòu)的反射譜中，布拉格反射峰帶寬 內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高消光比的相移分裂點(diǎn)。假設(shè)微流槽的寬度為以則產(chǎn)生的相移量口可W表示 為：
[0024]
(2)
[0025] 其中，A為工作波長，n^f為模式有效折射率。其分裂點(diǎn)的波長位置A央于相 移量的大小
[0026]
(3)
[0027]其中，AApc。為所刻寫的布拉格光柵的全譜帶寬，A1為光柵反射譜短波第一個(gè)零 點(diǎn)處波長。當(dāng)微流體流動(dòng)引起光纖溫度下降時(shí)，產(chǎn)生的相移變化量可W表示為：
[002引
(4)
[0029] 其中，^為光纖的熱光系數(shù)，^為光纖的熱膨脹系數(shù)，AT為溫度變化量。因 dldl 此微流體流動(dòng)會(huì)引起分裂波長的漂移，結(jié)合公式（1)，（3)，（4)，漂移量可W表示為流速的函 數(shù)：
[0030]
(5)
[0031] 從而流速可W表示為漂移量的函數(shù)：
[00對(duì)
(6)
[0033] 式中，A A為微結(jié)構(gòu)相移光柵分裂波長的漂移量，L為微流槽的寬度，A,為微結(jié) 構(gòu)相移光柵分裂波長，n^f為模式有效折射率，AAW。為所刻寫的布拉格光柵的全譜帶寬， ^為光纖的熱光系數(shù)，^為光纖的熱膨脹系數(shù)，Q為光纖損失的熱量，A、B和n為經(jīng)驗(yàn) dlaT 常數(shù)，該些參數(shù)都可w通過標(biāo)定后的數(shù)據(jù)擬合獲得。
[0034] 因此，通過檢測(cè)微結(jié)構(gòu)相移光柵分裂波長