一种基于石墨烯的流速传感器光学芯片及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯的流速传感器光学芯片及其应用。该光学芯片是在直角棱镜的底边一面粘贴有依次为石英玻璃/石墨烯膜/微流体通道介质层的多层膜耦合结构，所述微流体通道介质层在与石墨烯膜紧贴的一面具有微流体通道。通过该光学芯片实现了对流体流速的实时监测，由于石墨烯材料优异的光学特性与它对偏振光的依赖吸收特性，大大提高了传感器的时间和空间分辨率，也突破了其他流速传感器只能监测导电液体的流速的限制，可用于监测非导电液体的流速。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯的流速传感器光学芯片及其应用
本专利技术涉及液体流速的实时测定领域，具体涉及一种基于石墨烯偏振依赖吸收效应对流速进行实时监测的方法和装置。
技术介绍
集成微流体的传感器多年来发展迅速，在物理、化学、生物学分析以及生物医学中具有广泛的应用。微流体芯片的蓬勃发展使得对测量微流体流速的需求更加迫切，尤其是实时准确的检测流速。微流体芯片的特点是体积小，工作空间大。基于超声波多普勒效应的流速测量仪通过将示踪剂颗粒添加到待测液体中，捕获反射前后(作用在示踪剂颗粒上)超声波产生的频率差，然后通过流体中示踪颗粒的流速模拟被测液体的流速。但是，考虑到微流体流量测量过程中的污染，不够准确和实时性，实验操作的复杂性以及引入其他示踪物质，仍然需要克服许多障碍。早期尝试使用碳纳米管的超疏水特性和电特性来解决这些问题，以实现对导电液体的各种流速测量。然而，制备单个碳纳米管微流体传感器的过程比较复杂，并且器件制备的重复性难以控制，这限制了该技术的适用性，也局限了测试液体的导电性。石墨烯具有特殊的晶格和电子结构，在电子和光学领域表现优异。目前有基于石墨烯的电学特性做成的电学传感器，但只能测导电液体的流速，而石墨烯除了优异的电性能外，还表现出出色的光学性能，尤其是与光的相互作用。本专利技术提出石墨烯的光学性质可用于试验性地检测微流控芯片中的流速。为了实现这一点，必须准备高质量的基于石墨烯的光学芯片和完整的信号分析。
技术实现思路
针对现有技术难以实现实时检测非导电液体的流速问题，本专利技术的目的是提供一种基于石墨烯的流速传感器，不仅可以监测导电液体的流速，还可以用于实时监测非导电液体的流速。石墨烯传感层具有优异的光电特性和偏振依赖吸收特性，利用偏振光与石英玻璃/石墨烯膜/微流体通道介质层的多层膜耦合结构之间的相互作用，以及传感层(石墨烯)对由压力驱动的微流体流动的敏感性，从而实时反馈流速信号。为实现上述技术目的，本专利技术首先提供了一种高质量的基于石墨烯的流速传感器光学芯片。所述基于石墨烯的流速传感器光学芯片是在直角棱镜的底边一面(即直角相对的一面)粘贴有依次为石英玻璃/石墨烯膜/微流体通道介质层的多层膜耦合结构，所述微流体通道介质层在与石墨烯膜紧贴的一面具有微流体通道，且该微流体通道设有流体入口和出口。在上述多层膜耦合结构中，所述直角棱镜优选为等腰直角三棱镜；所述石英玻璃的厚度优选为0.5～2mm；石墨烯膜的厚度优选为6～10nm，在本专利技术的一个实施例中，所述石墨烯膜的厚度为8.27nm。所述微流体通道介质层的材料一般选择有机聚合物，优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。上述流速传感器光学芯片的制备方法包括以下步骤：1)在石英玻璃片表面生长石墨烯薄膜；2)利用刻有微流体通道模型的模具制备具有微流体通道的介质层；3)将石英玻璃片具有石墨烯薄膜的一面与介质层具有微流体通道的一面键合在一起，使石墨烯薄膜夹在石英玻璃和微流体通道的界面处；4)将石英玻璃片不具有石墨烯薄膜的一面粘合到直角棱镜的底边一面上，得到所述流速传感器光学芯片。上述步骤1)优选采用低压化学气相沉积(LPCVD)方法在石英玻璃片表面生长石墨烯；步骤2)将微流体通道介质层的预聚物倒入模具中，固化后得到所述介质层。利用上述流速传感器光学芯片和光的全内反射现象，可以对流经介质层中微流体通道的流体的流速进行实时监测。全内反射是一种非常重要的光学现象，又称为全反射。当一束光由光密介质射入光疏介质时，入射角θ1大于临界角θc时就会发生全反射现象，即折射光线消失，入射光线全部发生反射。发生全反射时，透射光强为零，但是光强将透入到光疏介质内很短一段距离，并沿着交界面传播一段很短的距离，再回到光密介质中，这个穿入到光疏介质中的波叫做倏逝波。由于倏逝波沿介质交界面传播故也称其为表面波。在上述多层膜耦合结构中，石墨烯夹在高折射率的介质1(石英玻璃)和低折射率的介质2(微流体通道中的流体)的界面处。石墨烯有着特殊的电子结构，当光沿着石墨烯表面传播时，石墨烯的光学特性被充分体现出来。所产生的光与石墨烯相互作用增强并且石墨烯对光吸收存在偏振依赖特性，即在全内反射条件下，对横电模(TE)形成极大的吸收，对横磁模(TM)几乎不吸收。当固定介质1的折射率n1，同时改变介质2的折射率n2时，针对不同的入射光，反射光的能量随着折射率n2的变化而变化。基于石墨烯的偏振吸收效应，改变介质2的折射率n2，p偏振光(TM模)和s偏振光(TE模)这两个状态的光功率会随之变化，因此通过同时读取反射光中p偏振光和s偏振光这两个状态的光功率并作差，再将差分信号以电压信号输出，就可以实现对传感介质2的折射率n2的检测(参见图2)。本专利技术发现折射率n2随光学芯片的微流体通道中液体流速而变化。这种模式可能是由于流速随入口和出口之间的压力差而变化的事实造成的。当该压力差增加时，液体变得越来越压缩，并且液体的折射率增加。基于石墨烯膜的多层膜耦合结构与光的相互作用对该折射率的变化产生了显著的响应，因此，关联了诸如流速、压力、折射率和电压之类的物理参数。通过测量由流速引起的电压信号可以实现流体的流速检测。利用上述流速传感器光学芯片，本专利技术提供了一种对流体流速进行检测的装置，参见图1，该装置包括激光光源、衰减器、偏振器、四分之一波片、流速传感器光学芯片、沃拉斯顿棱镜、光阑和平衡探测器，激光光源发出的激光依次穿过衰减器、偏振器和四分之一波片后，获得稳定的功率可调的圆偏振光；该圆偏振光经过光阑形成光束，射入所述流速传感器光学芯片的直角棱镜，调节光束入射角度使圆偏振光进入直角棱镜后打在光学芯片的多层膜耦合结构上，在石墨烯膜与微流体通道内流体的界面处发生全反射；反射出的圆偏振光被沃拉斯顿棱镜分离为TE模和TM模，分别经过光阑后由两个平衡检测器进行检测。将所述流速传感器光学芯片中的微流体通道的流体入口和出口分别与外部的进液管和出液管连接，使流体流经微流体通道；同时将两个平衡检测器检测到的TE和TM两种模式的光功率信号之差以电压信号的方式输出，该电压信号即反映出流体的流速信息。利用上述装置对流体流速进行检测的步骤包括：1)将所述流速传感器光学芯片中的微流体通道的流体入口和出口分别与外部的进液管和出液管连接，使流体流经微流体通道；2)调节激光光源、衰减器、偏振器、四分之一波片和光阑，获得稳定的圆偏振光光束射入所述流速传感器光学芯片，并在光学芯片的多层膜耦合结构处发生全反射；3)记录平衡检测器检测到的TE和TM两种模式的光功率信号，并将两种模式的光功率信号之差以电压信号的方式输出；4)通过与进液管和出液管连接的外部系统控制流体流经微流体通道的流速，设置多组不同的流体流速，重复步骤3)获得多组相关联的电压信号，从而得到电压与流速的关系曲线，以其作为标准曲线；5)根据步骤4)测得的标准曲线，将实时监测到的电压信号转换为流速信号。有益效果：通过本专利技术所提供的流速传感器光学芯片，实现了实时监测流体流速的要求，另一方面由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯的流速传感器光学芯片，在直角棱镜的底边一面粘贴有依次为石英玻璃/石墨烯膜/微流体通道介质层的多层膜耦合结构，所述微流体通道介质层在与石墨烯膜紧贴的一面具有微流体通道，且该微流体通道设有流体入口和出口。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的流速传感器光学芯片，在直角棱镜的底边一面粘贴有依次为石英玻璃/石墨烯膜/微流体通道介质层的多层膜耦合结构，所述微流体通道介质层在与石墨烯膜紧贴的一面具有微流体通道，且该微流体通道设有流体入口和出口。


2.如权利要求1所述的流速传感器光学芯片，其特征在于，所述直角棱镜为等腰直角三棱镜。


3.如权利要求1所述的流速传感器光学芯片，其特征在于，所述石英玻璃的厚度为0.5～2mm。


4.如权利要求1所述的流速传感器光学芯片，其特征在于，所述石墨烯膜的厚度为6～10nm，优选为8.27nm。


5.如权利要求1所述的流速传感器光学芯片，其特征在于，所述微流体通道介质层的材料为聚二甲基硅氧烷。


6.权利要求1～5中任一所述流速传感器光学芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)在石英玻璃片表面生长石墨烯薄膜；
2)利用刻有微流体通道模型的模具制备具有微流体通道的介质层；
3)将石英玻璃片具有石墨烯薄膜的一面与介质层具有微流体通道的一面键合在一起，使石墨烯薄膜夹在石英玻璃和微流体通道的界面处；
4)将石英玻璃片不具有石墨烯薄膜的一面粘合到直角棱镜的底边一面上，得到所述流速传感器光学芯片。


7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤1)采用低压化学气相沉积方法在石英玻璃片表面生长石墨烯薄膜。


8.一种对流体流速进行检测的装置，包括激光光源、衰减器、偏振器、...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢飞，吴田鸽，李宗文，韩雪，田敬坤，姬广民，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37