一种光纤微流流速传感器制造技术

一种光纤微流流速传感器，其特征是：它由带孔光纤和单模光纤组成。所述组成中：(1)带孔光纤纤芯上刻有倾斜光栅；(2)带孔光纤开有微孔通道用于微流体的出入口；(3)带孔光纤和单模光纤对芯熔接；(4)泵浦光和宽带光通过单模光纤传输至带孔光纤上的倾斜光栅，泵浦光被倾斜光栅反射至带孔光纤的微流通道中，被微流体吸收；宽带光经过倾斜光栅后，符合后向谐振条件的波长的光被反射。微流体吸收光能，其温度会随着微流体流速的变化而变化，从而引起倾斜光栅的反射峰的漂移，可通过对倾斜光栅反射峰的监测来测量带孔光纤孔内微流体的流速和流量。本发明专利技术所述传感器可嵌入微流芯片，用于微流芯片系统的微流体流量的实时测量。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤微流流速传感器(一)
本专利技术涉及的是一种光纤微流流速传感器，可用于光纤内部或者微流芯片中微流的流速和流量测量与监控，属于微流控
(二)
技术介绍
在过去的20年里，片上实验室在生物、化学和医学领域都得到了广泛的应用。其具备有众多的优点，例如极少的试剂消耗，短的反应时间，小的反应体积，低的花费，和高灵敏度等。在包括样本制备，混合，粒子筛选在内的众多应用当中，微量流体的热转换，流速，迁移时间，压差，流体浓度，PH值等参数的精确测量十分重要。当然，不同参数量之间的交叉敏感会影响到参数测量的精确度，这也是一个需要解决的问题。因此，能实现局部微流参数的实时精确测量，是片上实验室亟待解决的一个问题，发展各种参数测量及监控的片上系统尤为重要。常用的微流液体流速检测系统基于微型机电系统(MEMS)，采用悬臂挠度、热电转换等电学及机械的检测方案。这类检测系统在实现高精度测量的同时也存在高成本、制备复杂的特点。具有微孔通道的光纤或者光子晶体光纤在片上实验室系统中得到了广泛的应用，这是因为其自带的空气孔是天然的微流通道，通过对光纤的结构的设计，还可以使得光纤中传输的光场对微流实现参数控制和传感测量的作用。除此之外，光纤传感器还具备有抗化学腐蚀和更灵活的可弯曲特性。本专利技术提出一种光纤微流流量传感器。该装置能实现对光纤微孔内的微流体流速和流量的测量，可与微流控芯片等微流系统结合，实现微流系统中的流量测量与监控。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光纤微流流量传感器，该传感器可集成于微流芯片中，用于微流芯片系统的微流体流量的实时测量。本专利技术的目的是这样实现的：一种光纤微流流速传感器，它由带孔光纤和单模光纤组成。所述组成中：(1)带孔光纤纤芯上刻有倾斜光栅；(2)带孔光纤开有微孔通道用于微流体的出入口；(3)带孔光纤和单模光纤对芯熔接；(4)泵浦光和宽带光的通过单模光纤传输至带孔光纤上的倾斜光栅，泵浦光被倾斜光栅反射至带孔孔光纤的微流通道中，被微流体吸收；宽带光经过倾斜光栅后，符合后向谐振的波长的光被后向反射。微流通道内的微流体的温度会随着微流体流速的变化而变化，从而引起倾斜光栅的反射峰的漂移，可通过对倾斜光栅反射峰的监测来测量微流体的流速和流量。所述的带孔光纤具有一个微孔微流通道，一个包埋于包层中的纤芯。优选地，可采用如图1所示的是几种不同结构的带孔光纤。进一步地，所述倾斜光栅的作用有二：(1)使泵浦光被反射至微流通道中，被微流体吸收，由光能转换为热能，从而改变微流体的温度；(2)将宽带光中符合后向反射谐振条件的光波反射，可通过光谱仪探测反射光谱来监测微流体温度。优选地，所述的用于微流体出、入口的微孔通道由飞秒激光在带孔光纤外壁加工微孔而成，该微孔通道避开带孔光纤纤芯，不影响光纤纤芯的导光性。由hot-wireanemometry原理可以知道对于气体或液体的流速测量有下式：ΔT＝T(v)-T(0)(2)其中Hloss为液体吸收热量，ΔT为温度变化量，v为流体速度，A和B为经验常数。当起到加热作用的泵浦光源的输出功率一定时，微流体吸收的热量总量Hloss一定，温度变化ΔT和流体速度v具有一定的关系。温度变化ΔT可以通过纤芯上的倾斜光栅来监测。倾斜光栅后向反射的光波波长漂移量Δλ和温度变化ΔT呈线性关系，如公式(3)所示，其中k为线性系数。Δλ＝kΔT(3)将公式(3)代入公式(1)，可得：因此就可以对倾斜光栅反射谱的测量来实现对微流体流速的实时测量。对于带孔光纤来说，其孔直径参数已知，因此可方便低计算到微流体的流量大小。由上述原理可知，微流体对泵浦光的吸收，将光能高效转换成热能很重要。因此，所述的泵浦光源的波长为所传输微流体强吸收波段的光源。进一步地，为了增加泵浦光的由光能转换为热能的效率，可以在所述的带孔光纤孔内可沉积一层吸光材料层，如氧化石墨烯层，以增加泵浦光的吸收效率。当然，也可以通过吸收层对不同波长的光的吸收特性来选择泵浦光源的波长。本专利技术提出的带孔光纤本身就具备微流体通道，可以通过飞秒加工技术在光纤上制备各种微结构，以实现将不同的微流芯片功能集成在一根光纤内的目的。如此，本专利技术提出的流量计可以准确测量光纤微孔通道内微流体的流速和流量。进一步地，所述的带孔光纤微流流量传感器也可嵌入传统的微流芯片内，作为微流系统的流量计，用于测量监控整个微流控芯片的流量。本专利技术至少具备以下的几个显著优点：(1)光纤自带微流体通道，结合了光纤的光波传导特性和微流体功能性操作的特点，同时光纤纤细的直径和可弯曲的特性，给整个器件带来了灵活性。(2)与传统的MEMS流速传感器的制备工艺相比，本专利技术的制备工艺相对简单，并且就现有的光纤制备工艺而言，一次拉丝可制备几百公里的光纤，且一致性好，有利于器件的批量生产。(3)传感器采用光学传感原理，抗电磁干扰；并且在微流通道内没有类似悬臂梁、弹簧这种微小的传感结构，保证了微流体流动的通畅。(四)附图说明图1(a)和1(b)是本专利技术可用的两种光纤的结构。标号分别为：空气孔1-1和2-1，包层1-2和2-2，纤芯1-3和2-3。图2是光纤微流流速传感器的结构。新出现的标号分别为：单模光纤3，倾斜光栅4，微流入口5-1，微流出口5-2，入射光6，反射光7，微流体8。图3是光纤微流流速传感器的系统图。新出现的标号分别为：泵浦光源9，宽带ASE光源10，光纤波分复用器11，光纤环形器12，光谱仪13。图4是水对不同波长光的吸收系数变化曲线图。图5是光纤微孔内壁沉积有氧化石墨烯的带孔光纤结构图，其中2-4为氧化石墨烯。图6是光纤微流流量传感器可以和传统的微流芯片结合结构图。新出现的标号分别为：微流芯片14，微流芯片的微流入口14-1，光纤微流传感器的出口通道14-2，微流芯片的功能区14-3。(五)具体实施方式下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本专利技术。实施例1：本专利技术使用的带孔光纤具备一个空气孔和一个包埋于包层1-2和2-2中的单模纤芯和，其中空气孔用作微流通道。如图1(a)、(b)所示的是两种典型的光纤结构，这两种光纤均可用于本专利技术。本专利技术所述的微流流量传感器的结构如图2所示，带孔光纤1的两端与单模光纤3对芯熔接，纤芯上刻写有倾斜光栅4。带孔光纤1的外壁通过飞秒激光加工工艺，刻蚀出两个微孔通道，连通外界与带孔光纤内部的微流通道，用作微流体的入口5-1和出口5-2。整个光纤微流流量传感系统如图3所示。系统包含一个泵浦光源9、一个C+L波段的宽带ASE(放大自发辐射)光源10，一个光纤波分复用器11，一个光纤环形器12，一个光谱仪13和光纤微流流速传感器本身。泵浦光源9和ASE光源10的输出光经过光纤波分复用器11合束后输入单模光纤3。当光波传输至倾斜光栅4时，输入光6被光栅反射至微流通道中，被微流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤微流流速传感器，其特征是：它由带孔光纤和单模光纤组成，所述组成中：(1)带孔光纤纤芯上刻有倾斜光栅；(2)带孔光纤开有微孔通道用于微流体的出入口；(3)带孔光纤和单模光纤对芯熔接；(4)泵浦光和宽带光通过单模光纤传输至带孔光纤上的倾斜光栅，泵浦光被倾斜光栅反射至带孔光纤的微流通道中，被微流体吸收；宽带光经过倾斜光栅后，符合后向谐振条件的波长的光被后向反射。/n

【技术特征摘要】
1.一种光纤微流流速传感器，其特征是：它由带孔光纤和单模光纤组成，所述组成中：(1)带孔光纤纤芯上刻有倾斜光栅；(2)带孔光纤开有微孔通道用于微流体的出入口；(3)带孔光纤和单模光纤对芯熔接；(4)泵浦光和宽带光通过单模光纤传输至带孔光纤上的倾斜光栅，泵浦光被倾斜光栅反射至带孔光纤的微流通道中，被微流体吸收；宽带光经过倾斜光栅后，符合后向谐振条件的波长的光被后向反射。


2.根据权利要求1所述的一种光纤微流流速传感器，其特征是：所述的带孔光纤具有一个微流通道，一个包埋于包层中的纤芯。


3.根据权利要求1所述的一种光纤微流流速...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，杨世泰，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45