一种基于光微流微腔的流速计及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光微流微腔的流速计及测量方法，其中，基于光微流微腔的流速计包括：光微流微腔、锥形光纤、光谱处理装置、信号发生器和光源，所述锥形光纤的锥形端搭靠在光微流微腔上，所述锥形光纤还分别连接所述光源和所述光谱处理装置，所述光谱处理装置包括示波器和探测器或所述光谱仪，所述光源包括宽带光源和可调谐激光源；本发明专利技术采用了回音壁模式微腔传感器的结构，通过流体自身的伯努利效应进行传感，对流体的流速进行测量，不易受到环境中电磁场的干扰，且无需加入额外的装置即可进行测量，可以通过调节回音壁模式微腔的尺寸参数(微泡腔的壁厚)，便能够大大提高该流速计的灵敏度。

A velocimeter and measurement method based on optical microfluidic Microcavity

The invention discloses a flow meter and a measurement method based on an optical microfluidic microcavity, wherein the flow meter based on the optical microfluidic microcavity includes an optical microfluidic microcavity, a tapered optical fiber, a spectral processing device, a signal generator and a light source, wherein the tapered end of the tapered optical fiber rests on the optical microfluidic microcavity, and the tapered optical fiber also connects the light source and the spectral processing device, respectively The spectrum processing device includes an oscilloscope and a detector or the spectrometer, and the light source includes a wide-band light source and a tunable laser source; the invention adopts the structure of a Echo Wall mode microcavity sensor to sense the flow velocity of the fluid through the Bernoulli effect of the fluid itself, which is not easily interfered by the electromagnetic field in the environment, and can be carried out without adding additional devices The sensitivity of the anemometer can be greatly improved by adjusting the size parameters of the echo wall mode microcavity (wall thickness of the microbubble).

【技术实现步骤摘要】
一种基于光微流微腔的流速计及测量方法
本专利技术涉及传感器领域，尤其是一种基于光微流微腔的流速计及测量方法。
技术介绍
微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。随着微流控芯片技术的发展，人们对片上系统的微流体控制要求越来越精细，任何流速上的变化会给微流控系统带来巨大差异，如在细胞筛选、微颗粒计数以及液滴生成等领域。因此，种类繁多的微流控流速传感器应运而生。如基于压电材料的微流体流速传感器、基于热传递的微流体流速传感器等。其中，基于压电材料的微流体流速传感器容易受到环境中电磁场的干扰；而第二类型的传感器通常需要对微流体进行一个高功率的加热，加热的过程不仅会对微流体本身的造成影响，加热源的导入还需要额外的装置。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的是提供一种基于光微流微腔的流速计，通过流体自身的伯努利效应进行传感，不需要附加额外器件，且具有小尺寸、简单、便捷、不易受外界干扰的特点。为此，本专利技术的第二个目的是提供一种利用基于光微流微腔的流速计的测量方法，该测量方法过流体自身的伯努利效应进行传感，不易受到外界电磁场的干扰。本专利技术所采用的技术方案是：第一方面，本专利技术实施例提供一种基于光微流微腔的流速计，该基于光微流微腔的流速计包括：光微流微腔、锥形光纤、光谱处理装置、信号发生器和光源，所述锥形光纤的锥形端搭靠在光微流微腔上面，所述锥形光纤还分别连接所述信号发生器和所述光谱处理装置，所述光源用于通过锥形光纤引入到光微流微腔中并形成谐振，再经锥形光纤导出至所述光谱处理装置。进一步地，所述光谱处理装置由示波器和探测器组成或为光谱仪。进一步地，所述光微流微腔为回音壁模式微腔。进一步地，所述回音壁模式微腔为微泡型微腔。进一步地，所述光源为宽带光源。进一步地，所述光源由可调谐激光器产生的激光。进一步地，所述锥形光纤与所述回音壁模式微腔的耦合方式包括欠耦合、临界耦合或过耦合。进一步地，所述回音壁模式微腔与所述锥形光纤的锥形端通过胶体封装。另一方面，本专利技术实施例提供一种利用前流速计的测量方法，包括：将待测液体通过引入回音壁模式微腔中；经锥形光纤，将光源引入到回音壁模式微腔中并形成谐振；经过回音壁模式微腔谐振处理后的光源，经所述锥形光纤引入到光电探测器中；获取回音壁模式微腔的透射光谱，并进一步获取谐振波长移动量，结合所述回音壁模式微腔的谐振公式，得到所述待测液体的流速。进一步地，所述谐振公式为：mλ＝2nπR。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用了回音壁模式微腔传感器的结构，通过流体自身的伯努利效应进行传感，对流体的流速进行测量，不易受到环境中电磁场的干扰，且无需加入额外的装置即可进行测量，只需调节回音壁模式微腔的尺寸参数，如微泡腔(即回音壁模式微腔)的壁厚参数，便能够大大提高该流速计的灵敏度，例如，微泡腔的壁厚越薄，越容易激发出高灵敏度的模式。也即对压强更将灵敏的模式，对于流速变化更加敏感。本专利技术采用纯光学传感器，通过微流体的伯努利效应原理进行探测，因此无须额外添加其他加热装置等，通过将光学传感器传感器运用到微流控制芯片中实现测量，并且能够以较高的灵敏度对流体流速进行传感。附图说明图1是本专利技术实施例1的光微流微腔的流速计结构示意图；图2是本专利技术实施例2的光微流微腔的流速计结构示意图；图3是本专利技术实施例3的光微流微腔的流速计结构示意图；图4是实施例2中所测得的流速与谐振波长的对应关系；图5是实施例3中所测得的流速与谐振波长的对应关系；图6是MBR与锥形光纤的耦合图；图7是MBR的赤道面横切图。附图标记1-MBR微腔，2-锥形光纤，3-光源，4-示波器，5-探测器，6-可调谐激光器，7-偏振控制器，8-信号发生器，9-胶体，10-光谱仪。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为了能够更好的理解本申请的技术方案，现对本申请中涉及到的关键术语进行定义：熔锥光纤(Taperedfiber)，是采用熔融拉锥法制作的单锥形或双锥形式的特殊波导结构，可以实现传输光功率的传输和耦合。光学微腔(Microresonator)，是指尺寸在几微米到几百微米的光学谐振腔。光学谐振腔为光提供一个反馈回路，使光可以在其中来回振荡。回音壁模式微腔(Whisperinggallerymodemicrocavity，WGMM)，是指一类将光限制在微腔内部进行全反射并形成谐振的一类微米尺度的谐振腔，且下文中涉及到的WGMM缩略语均可毫无意义的确定为回音壁模式微腔的含义。MBR微腔(微泡型微腔，micro-bubbleresonator，MBR)是一种中间凸起的毛细石英管结构腔体，它的有外直径，壁厚等结构参数。外直径参数可以几十到几百微米，壁厚参数可以是微米级到几十微米。通过改变腔体的壁厚参数，可以得到不同模式阶数的回音壁模式。当壁厚参数越薄时，分布在微腔内部的光场越多，能量越集中在腔内部，此时的回音壁模式更易受到内部探测环境的影响，也具有更高的灵敏度，更能感应腔体内部的压强值变化。MBR是一种特殊结构的回音壁模式微腔。实施例1：请参阅图1，本专利技术基于光微流微腔的流速计包括：光微流微腔1、锥形光纤2、光谱处理装置、信号发生器8和光源3，其中，光源是通过可调谐激光器6产生的激光通过偏振控制器7进行偏振处理，再经所述锥形光纤2耦合产生；锥形光纤2的锥形端搭靠在光微流微腔1一侧，以便对经前述通过偏振控制器7进行偏振处理后的激光进行耦合；光微流微腔优选为回音壁模式微腔；锥形光纤2还分别连接信号发生器8和光谱处理装置，光谱处理装置包括示波器4和探测器5，其中，信号发生器8对可调谐激光器6进行扫频控制，并与示波器4同步。实施例2：请参阅图2，本专利技术基于光微流微腔的流速计包括：光微流微腔1、锥形光纤2、光谱处理装置、信号发生器8和光源3，其中，光源是通过可调谐激光器6产生的激光通过偏振控制器7进行偏振处理，再经所述锥形光纤2耦合产生；锥形光纤2的锥形端搭靠在光微流微腔1一侧，以便对经前述通过偏振控制器7进行偏振处理后的激光进行耦合，光微流微腔1优选为回音壁模式微腔，进一步优选为MBR微腔；锥形光纤2还分别连接信号发生器8以及光谱处理装置，光谱处理装置包括示波器4和探测器5，其中，信号发生器对可调谐激光器6进行扫频控制，并与示波器4同步。回音壁模式微腔1与锥形光纤2的锥形端通过胶体9封装，以形成封装的MBR微腔，此时MBR与锥形光纤位置固定，耦合不受外界环境振动等影响。图6和图7中分别示出了M本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光微流微腔的流速计，其特征在于，包括：光微流微腔、锥形光纤、光谱处理装置、信号发生器和光源，所述锥形光纤的锥形端搭靠在光微流微腔上，所述锥形光纤还分别连接所述信号发生器和所述光谱处理装置，所述光源用于通过锥形光纤引入到光微流微腔中进行谐振处理，再经锥形光纤导出至所述光谱处理装置。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光微流微腔的流速计，其特征在于，包括：光微流微腔、锥形光纤、光谱处理装置、信号发生器和光源，所述锥形光纤的锥形端搭靠在光微流微腔上，所述锥形光纤还分别连接所述信号发生器和所述光谱处理装置，所述光源用于通过锥形光纤引入到光微流微腔中进行谐振处理，再经锥形光纤导出至所述光谱处理装置。


2.根据权利要求1所述基于光微流微腔的流速计，其特征在于，所述光谱处理装置由示波器和探测器组成或为光谱仪。


3.根据权利要求1所述基于光微流微腔的流速计，其特征在于，所述光微流微腔为回音壁模式微腔。


4.根据权利要求1所述基于光微流微腔的流速计，其特征在于，所述回音壁模式微腔为微泡型微腔。


5.根据权利要求1所述基于光微流微腔的流速计，其特征在于，所述光源为宽带光源。


6.根据权利要求1所述基于光微流微腔的流速计，其特征在于，所述光源由可调谐激光器产生的...

【专利技术属性】
技术研发人员：付红岩，陈震旻，谢启浩，
申请(专利权)人：清华伯克利深圳学院筹备办公室，
类型：发明
国别省市：广东;44