CN104950133A - 微流体流速传感芯片、检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流体流速传感芯片、检测系统及检测方法，芯片包括基于微结构布拉格光栅的流速传感单元和微流芯片；基于微结构布拉格光栅的流速传感单元插入微流芯片的光纤通道，微流槽与微流通道对准齐平后；本发明将微流通道嵌入传感单元当中，微流通道内通入待测微流体后，微流槽区域光纤热平衡发生变化，引起相移区的温度发生变化，最终导致相移量变化，引起微结构相移布拉格光栅的反射谱上分裂点波长的漂移；根据此波长的漂移量与流速的标定关系，即可反推出微流通道内微流液体的流速大小；本发明具备集成度高，测量准确，灵敏度及空间分辨率高，抗干扰性强等特点，不仅适于单点流速测量，同样可以实现多点准分布式流速监控。

Description

微流体流速传感芯片、检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及了一种基于光热光纤微结构相移布拉格光栅的微流体(Microfluidic)流速传感芯片，检测系统以及检测方法。

背景技术

得益于其微米级别的尺寸，微流技术近几十年来在化学分析、生物医学以及细胞生物检测等方面得到巨大的发展和应用。当微流技术应用于小样品的计数、分离或者检测时，如何准确实现微流液体的流速测量是决定结果灵敏度和分辨率的重要一环。常用的微流液体流速检测系统基于微型机电系统(MEMS)，采用悬臂扰度、热电转换等电学及机械的检测方案。但这类检测系统在实现高精度测量的同时也存在高成本、制备复杂的缺点。

由于光纤型微流体传感技术能够在实现低成本的同时具备抗电磁干扰、抗腐蚀、远距离监测等等优点，近年来受到了广泛的关注。“Microfluidic flow rate detection based on integratedoptical fiber cantilever”(Lien V.,Vollmer F.,Lab on a Chip,2007,7(10):1352-1356)一文提出了利用光纤悬臂实现微流体流速传感的技术，该方案利用微流体对光纤的弯曲作用改变两对准光纤的耦合效率实现流速到光功率的转换。但这种方案对操作要求高，探测灵敏度低，且悬浮的光纤会给微流体带来一定的干扰和污染。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种微流体流速传感芯片、检测系统及检测方法。本发明基于光热光纤以及微结构相移布拉格光栅结构，将微流通道嵌入传感单元当中，具备集成度高，测量准确，灵敏度及空间分辨率高，抗干扰性强等优点，不仅适于单点流速测量，同样可以实现多点准分布式流速监控。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于微结构相移布拉格光栅的微流体流速传感芯片，包括基于微结构布拉格光栅的流速传感单元和微流芯片；其中，所述基于光热光纤微结构相移布拉格光栅的流速传感单元包括第一单模光纤、光热光纤和第二单模光纤；光热光纤的两端分别熔接第一单模光纤和第二单模光纤，光热光纤经过载氢处理，其上利用相位掩模法制备微结构相移布拉格光栅，在微结构相移布拉格光栅区域中部位置侧面开有一个宽L和深H的微流槽；所述微流芯片中具有相互垂直的光纤通道和微流体通道，光纤通道的长、宽都与第一单模光纤和第二单模光纤的裸纤直径一致，微流通道的大小则与微流槽大小一致；基于微结构布拉格光栅的流速传感单元插入微流芯片的光纤通道，微流槽与微流通道对准齐平后用粘胶固定。

一种含有上述传感芯片的微流体流速检测系统，还包括泵浦光源、探测光源、光纤环形器、光谱仪以及波分复用器；其中，所述泵浦光源与波分复用器的泵浦输入端口连接；波分复用器的公共端口与第一单模光纤相连，探测光源与光纤环形器的输入端口连接，光纤环形器的输出端口与光谱仪相连，光纤环形器的反射端口与波分复用器的信号输入端口连接。

一种应用上述系统的微流体流速检测方法，包括以下步骤：

(1)开启泵浦激光器，泵浦光经由波分复用器进入微流体流速传感芯片的光热光纤上，光热光纤吸收泵浦光发热使得微结构相移布拉格光栅温度上升并最终稳定后，开启光谱仪以及探测光源，探测光经由光纤环形器、波分复用器、输入单模光纤进入微结构相移布拉格光栅；微结构相移布拉格光栅的反射谱信号经波分复用器、光纤环形器传输到光谱仪内；

(2)微流传感芯片的微流通道内通入待测微流体，由于微流体的流动带走微结构相移布拉格光栅的微流槽内的一部分热量，使得光纤微流槽区域温度下降，通过热光效应及热膨胀效应引起了微结构相移布拉格光栅的相移量的变化，在光谱仪上表现为反射峰内分裂波长的漂移；根据光谱仪上对该分裂波长的漂移量的监测，通过下式即可得到微流体的流速大小：

$\mathrm{\υ}=\sqrt[n]{\frac{1}{B}\[\frac{4{\mathrm{\Δ\λ}}_{FBG}}{{\mathrm{\λ}}_S}(\frac{{\mathrm{dn}}_{eff}}{dT}L+n_{eff}\frac{dL}{dT})\frac{Q}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}-A\]}$

式中，Δλ为微结构相移布拉格光栅的分裂波长的漂移量，L为微流槽的宽度，λ_S为微结构相移光栅分裂波长，n_eff为模式有效折射率，Δλ_FBG为所刻写的布拉格光栅的全谱带宽，为光纤的热光系数，为光纤的热膨胀系数，Q为光纤损失的热量，A、B和n为参数。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明制备的微结构相移布拉格光栅上微流槽的存在大大减小了光热光纤芯层(导光部分)与微流体的距离，增加了光纤于外界的热交换能力进而大幅提高了测量的灵敏度。同时，微结构相移布拉格光栅反射峰高精细度的分裂光谱，也保证了本发明具备高分辨率的优点。

2、本发明中微流槽作为微流通道的一部分，其大小与微流通道相契合，保证了传感器的加入不会对微流体的流动过程引入干扰。保证了本发明高集成度，强抗干扰性的优点。

3、微结构布拉格光栅反射峰的包络可以进一步作为其他传感参量的解调依据，如温度等，使得本发明兼具多参量解调的可能性。同时光纤百微米级直径的尺寸，也保证了流速传感的空间分辨率，可以实现点流速的测量，具备多点准分布式流速检测的能力。

附图说明

图1是本发明的流速传感单元结构示意图；

图2是本发明微流体流速传感芯片装置的结构示意图；

图3是利用本发明进行微流体流速检测系统示意图。

具体实施方式

本发明是基于在光热光纤制备布拉格光栅并在光栅中部刻写微流槽形成微结构相移光栅的结构。其原理是由于不同流速的流体带走光热光纤微流槽部分的热量不同，引起微结构相移光栅相移量的改变，最终引起相移光栅分裂点波长的漂移。

具体来讲，本发明所用的光热光纤是一种芯层掺杂了钴元素的特种光纤，在一定光谱带宽内(通常为1100-1550nm)对输入光呈现宽谱吸收特性。其吸收的强度取决于掺杂的浓度，并且吸收过程为无辐射跃迁吸收，因此吸收的光能量最终转化成热，引起光纤温度的升高。通过选择不同吸收系数的光热光纤以及改变泵浦激光的功率，可以方便的控制光纤最终加热的温度。当光热光纤处在微流体环境中时，其最终的能加热到的温度，取决于光纤和周围流体的动态热平衡。当液体流动时，光纤产生的一部分热量会被带走，在一定流速下热交换会达到一个新的动态平衡，使得光纤的最终温度有所降低。根据“热线(hot-wire)”风速仪的热平衡理论，光纤损失的热量与微流体流速的存在下面的关系：

Q＝(A+Bυⁿ)ΔT   (1)

其中，υ是微流体流速，ΔT是光热光纤的温度变化量，A、B和n为经验常数，跟流体性质和微流槽环境有关。这些参数都可以通过标定后的数据拟合获得。

基于这一机理，本发明所用的传感单元采用在光热光纤上制备的相移布拉格光栅结构。具体的，在光热光纤上刻写好一个布拉格光栅后，在光栅的中间部位利用飞秒激光或者聚焦离子束曝光技术加工出一个侧方贯通的微流体通道。通道宽度在几十到百微米量级，深度不超过50微米，以避免外界折射率对光热光纤中基模的影响。由于微流体通道的存在，使得微流槽处的光纤温度分布发生变化，引起折射率和光栅周期的微扰，等效于在均匀分布的布拉格光栅中引入了相位突变，因此在这一结构的反射谱中，布拉格反射峰带宽内会出现一个高消光比的相移分裂点。假设微流槽的宽度为L，则产生的相移量可以表示为：

其中，λ为工作波长，n_eff为模式有效折射率。其分裂点的波长位置λ_s取决于相移量的大小

其中，Δλ_FBG为所刻写的布拉格光栅的全谱带宽，λ₁为光栅反射谱短波第一个零点处波长。当微流体流动引起光纤温度下降时，产生的相移变化量可以表示为:

其中，为光纤的热光系数，为光纤的热膨胀系数,ΔT为温度变化量。因此微流体流动会引起分裂波长的漂移，结合公式(1)，(3)，(4)，漂移量可以表示为流速的函数：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{4{\mathrm{\Δ\λ}}_{FBG}}{{\mathrm{\λ}}_S}(\frac{{\mathrm{dn}}_{eff}}{dT}L+n_{eff}\frac{dL}{dT})\frac{Q}{A+{\mathrm{B\υ}}^n}---\left(5\right)$

从而流速可以表示为漂移量的函数：

$\mathrm{\υ}=\sqrt[n]{\frac{1}{B}\[\frac{4{\mathrm{\Δ\λ}}_{FBG}}{{\mathrm{\λ}}_S}(\frac{{\mathrm{dn}}_{eff}}{dT}L+n_{eff}\frac{dL}{dT})\frac{Q}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}-A\]}---\left(6\right)$

式中，Δλ为微结构相移光栅分裂波长的漂移量，L为微流槽的宽度，λ_S为微结构相移光栅分裂波长，n_eff为模式有效折射率，Δλ_FBG为所刻写的布拉格光栅的全谱带宽，为光纤的热光系数，为光纤的热膨胀系数，Q为光纤损失的热量，A、B和n为经验常数，这些参数都可以通过标定后的数据拟合获得。

因此，通过检测微结构相移光栅分裂波长的漂移，可以解调出微流体的流速信息。当然传感器需要预先标定。微结构相移布拉格光栅分裂点的高消光比保证了这一方案的高分辨率；微流槽的存在大大减小了光热光纤芯层(导光部分)与微流体的距离，使得热量交换变得容易，从而可以大幅提高测量的灵敏度；同时，光纤的尺寸也决定了有效温度场在200微米量级，满足点流速的测量条件。

为了实现微流体和传感单元的良好交互，所制备的微结构相移布拉格光栅将被集成进微流芯片当中。光热光纤上的微流槽组成微流芯片中微流通道的一部分，光热光纤作为传感单元及信号输出端，真正实现一体化的微流控芯片装置。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例：

如图1所示，基于光热光纤微结构相移布拉格光栅的流速传感单元包括第一单模光纤1、光热光纤2和第二单模光纤5。光热光纤2的两端分别熔接第一单模光纤1和第二单模光纤5。光热光纤2经过载氢处理，其上利用相位掩模法制备微结构相移布拉格光栅3，在微结构相移布拉格光栅3区域中部位置侧面开有一个宽L和深H的微流槽4，根据设计需要，L为30-300微米，H为10-50微米。

如图2所示，基于微结构相移布拉格光栅的微流体流速传感芯片，包括基于微结构布拉格光栅的流速传感单元(图1)以及微流芯片6。其中，微流芯片6利用成熟的光刻工艺制备，芯片中设计有光纤通道7以及微流体通道8。两个通道相互垂直，其中光纤通道7的长与宽都与第一单模光纤1和第二单模光纤5的裸纤直径(125微米)保持一致，微流通道8的大小则与流速传感单元内光热光纤上的微流槽大小保持一致。在将流速传感单元(图1)集成到微流芯片6的过程中，需要保证流速传感单元上的微流槽4与微流芯片的微流通道8对准齐平，并用粘胶固定。

如图3所示，检测系统包括微流体流速传感芯片、泵浦光源9、探测光源10、光纤环形器11、光谱仪12以及波分复用器13。其中，泵浦光源9与波分复用器13的泵浦输入端口13-1连接；波分复用器13的公共端口13-3与第一单模光纤1相连。探测光源10与光纤环形器11的输入端口11-1连接；光纤环形器11的输出端口11-3与光谱仪12相连；光纤环形器11的反射端口11-2与波分复用器13的信号输入端口13-2连接。

泵浦光源9输出的泵浦激光通过波分复用器13输入到光热光纤，使其吸光后温度提升至一稳定值。探测光源10的宽谱输出信号先后经过环行器11和波分复用器13达到微流速传感单元。微结构相移布拉格光栅3的反射谱先后经过波分复用器13和环行器11被光谱仪12探测到；微流通道8内通入待测微流体后，微流槽4区域光纤热平衡发生变化，引起相移区的温度发生变化，最终导致相移量变化，引起微结构相移布拉格光栅3的反射谱上分裂点波长的漂移。根据此波长的漂移量与流速的标定关系，即可反推出微流通道8内微流液体的流速大小。

本发明的检测方法包括以下步骤：

(1)开启泵浦激光器9，泵浦光经由波分复用器13进入微流体流速传感芯片的光热光纤2上，光热光纤2吸收泵浦光发热使得微结构相移布拉格光栅3温度上升并最终稳定后。开启光谱仪12以及探测光源10，探测光经由光纤环形器11、波分复用器13、输入单模光纤1进入微结构相移布拉格光栅3。微结构相移布拉格光栅3的反射谱信号经波分复用器13、光纤环形器11传输到光谱仪12内。

(2)微流传感芯片的微流通道8内通入待测微流体。由于微流体的流动带走微结构相移布拉格光栅3的微流槽4内的一部分热量，使得光纤微流槽4区域温度下降，通过热光效应及热膨胀效应引起了微结构相移布拉格光栅3的相移量的变化，在光谱仪12上表现为反射峰内分裂波长的漂移。根据光谱仪上对该分裂波长的漂移量的监测，通过下式即可得到微流体的流速大小：

$\mathrm{\υ}=\sqrt[n]{\frac{1}{B}\[\frac{4{\mathrm{\Δ\λ}}_{FBG}}{{\mathrm{\λ}}_S}(\frac{{\mathrm{dn}}_{eff}}{dT}L+n_{eff}\frac{dL}{dT})\frac{Q}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}-A\]}---\left(6\right)$

式中，Δλ为微结构相移布拉格光栅3的分裂波长的漂移量，L为微流槽4的宽度，λ_S为微结构相移光栅3的分裂波长，n_eff为模式有效折射率，Δλ_FBG为所刻写的布拉格光栅的全谱带宽，为光纤的热光系数，为光纤的热膨胀系数，Q为光纤损失的热量，A、B和n为参数；这些参数为经验常数，都可以通过标定后的数据拟合获得。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于微结构相移布拉格光栅的微流体流速传感芯片，其特征在于，包括基于微结构布拉格光栅的流速传感单元和微流芯片(6)；其中，所述基于光热光纤微结构相移布拉格光栅的流速传感单元包括第一单模光纤(1)、光热光纤(2)和第二单模光纤(5)；光热光纤(2)的两端分别熔接第一单模光纤(1)和第二单模光纤(5)，光热光纤(2)经过载氢处理，其上利用相位掩模法制备微结构相移布拉格光栅(3)，在微结构相移布拉格光栅(3)区域中部位置侧面开有一个宽L和深H的微流槽(4)；所述微流芯片(6)中具有相互垂直的光纤通道(7)和微流体通道(8)，光纤通道(7)的长、宽都与第一单模光纤(1)和第二单模光纤(5)的裸纤直径一致，微流通道(8)的大小则与微流槽(4)大小一致；基于微结构布拉格光栅的流速传感单元插入微流芯片(6)的光纤通道(7)，微流槽(4)与微流通道(8)对准齐平后用粘胶固定。

2.根据权利要求1所述的基于微结构相移布拉格光栅的微流体流速传感芯片，其特征在于，所述微流槽(4)的宽L为30-300微米，深H为10-50微米。

3.一种含有权利要求1所述传感芯片的微流体流速检测系统，其特征在于，还包括泵浦光源(9)、探测光源(10)、光纤环形器(11)、光谱仪(12)以及波分复用器(13)；其中，所述泵浦光源(9)与波分复用器(13)的泵浦输入端口(13-1)连接；波分复用器(13)的公共端口(13-3)与第一单模光纤(1)相连，探测光源(10)与光纤环形器(11)的输入端口(11-1)连接，光纤环形器(11)的输出端口(11-3)与光谱仪(12)相连，光纤环形器(11)的反射端口(11-2)与波分复用器(13)的信号输入端口(13-2)连接。

4.一种应用权利要求3所述系统的微流体流速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、开启泵浦激光器(9)，泵浦光经由波分复用器(13)进入微流体流速传感芯片的光热光纤(2)上，光热光纤(2)吸收泵浦光发热使得微结构相移布拉格光栅(3)温度上升并最终稳定后，开启光谱仪(12)以及探测光源(10)，探测光经由光纤环形器(11)、波分复用器(13)、输入单模光纤(1)进入微结构相移布拉格光栅(3)；微结构相移布拉格光栅(3)的反射谱信号经波分复用器(13)、光纤环形器(11)传输到光谱仪(12)内；

(2)、微流传感芯片的微流通道(8)内通入待测微流体，由于微流体的流动带走微结构相移布拉格光栅(3)的微流槽(4)内的一部分热量，使得光纤微流槽(4)区域温度下降，通过热光效应及热膨胀效应引起了微结构相移布拉格光栅(3)的相移量的变化，在光谱仪(12)上表现为反射峰内分裂波长的漂移；根据光谱仪上对该分裂波长的漂移量的监测，通过下式即可得到微流体的流速大小：

$\mathrm{\υ}=\sqrt[n]{\frac{1}{B}\[\frac{4{\mathrm{\Δ\λ}}_{FBG}}{{\mathrm{\λ}}_S}(\frac{{\mathrm{dn}}_{eff}}{dT}L+n_{eff}\frac{dL}{dT})\frac{Q}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}-A\]}$

式中，Δλ为微结构相移布拉格光栅(3)的分裂波长的漂移量，L为微流槽(4)的宽度，λ_S为微结构相移光栅分裂波长，n_eff为模式有效折射率，Δλ_FBG为所刻写的布拉格光栅的全谱带宽，为光纤的热光系数，为光纤的热膨胀系数，Q为光纤损失的热量，A、B和n为参数。