CN106526227A - 基于微光纤耦合器的微流速传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微光纤耦合器的微流速传感器及其测量方法。该微流速传感器包括中空管、微光纤耦合器和封装材料，中空管的外表面镀有一层金属薄膜，微光纤耦合器绕制在金属薄膜上，利用封装材料将中空管和微光纤耦合器封装在一起；微光纤耦合器由两根单模光纤制成，包括一个均匀腰区、两个锥形过渡区、两个输入端口和两个输出端口。由于耦合器腰区部分的倏逝场被金属薄膜吸收，产生热量，中空管管道里有流体经过的时候会带走部分热量，引起温度的改变，致使耦合器的谐振波长发生漂移。通过测量波长的移动实现微流体的速度检测。本发明具有超高的传感灵敏度，结构简单，能够在光路与液体分离不干扰的同时，实现光液长距离的相互作用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤的应用领域，具体涉及光纤传感器的研究及其制备，尤其是提供一种基于微光纤耦合器的微流速传感器及利用该传感器进行测量的方法。
背景技术
随着时代的进步，在过去的30年间，光纤传感技术乃至微纳光纤传感器件逐渐兴起并且大量涌现与发展，这些器件具有很多其他器件所没有的特点与优势，如抗电磁干扰、轻巧、成本低廉、紧凑小型化等。
微流体在化学、生物医学、生物细胞学等领域吸引了大量科研工作者，并且具有很重要的应用。芯片上对微流体的流量和流速控制是个很重要的问题，实现微流量的输送已经有大量的电学、光学方面的工作进行过报道。
结合微纳光纤器件，例如光栅、法布里-珀罗腔等；利用热效应，例如钴离子吸收、金属膜吸收等；同样可以实现微流速传感的器件。但传感器具有更高的灵敏度、更小的探测极限始终是科研工作者们面临的挑战和着力解决的问题。
发明内容
为此，本发明的目的是提供一种新型的基于微光纤耦合器的微流速传感器，并提供利用该传感器的测量方法。
本发明采用的技术方案是：
基于微光纤耦合器的微流速传感器，包括中空管、微光纤耦合器和封装材料，中空管的外表面镀有一层金属薄膜，微光纤耦合器绕制在金属薄膜上，利用封装材料将中空管和微光纤耦合器封装在一起；所述微光纤耦合器由两根单模光纤制成，包括一个均匀腰区、两个锥形过渡区、两个输入端口和两个输出端口。
所述微光纤耦合器的绕制圈数为一圈或者多圈。
优选地，所述均匀腰区的长度为5毫米到15毫米，均匀腰区处单根光纤的直径为2微米到5微米。
进一步地，所述中空管采用玻璃毛细管，直径为0.5毫米到1毫米，壁厚为50微米到150微米。
优选地，所述金属薄膜的材料为金，厚度为100纳米。
进一步地，所述封装材料采用紫外固化胶。
利用上述基于微光纤耦合器的微流速传感器的测量方法，具体为：在所述中空管内注入流体，光源产生的光进入微光纤耦合器的一个输入端口，微光纤耦合器的一个输出端口连接光谱仪；由于微光纤耦合器的均匀腰区的倏逝场被金属薄膜吸收，从而产生热量，当中空管内的流体经过的时候会带走部分热量，引起温度的改变，致使耦合器的谐振波长发生移动，通过光谱仪探测波长的移动实现流体的速度检测。
本发明在中空管外缠绕微光纤耦合器，利用金属薄膜对微光纤耦合器的倏逝场的吸收致热，管道中的微流体带走热量，致使温度的改变，引起微光纤耦合器谐振波长的移动，通过测得波长移动值，可以实现微流体流速的精确测量，具有以下有益效果：
(1)本发明具有超高的微流速灵敏度；
(2)本发明的传感器在测量时仅需要一个输入光源，同时作为信号光源和泵浦光源，结构简单；
(3)本发明在光路与液体分离的同时，实现光液长距离的相互作用；
(4)中空管的直径尺寸能做到很小，可以方便地与微流体芯片连接，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明基于微光纤耦合器的微流速传感器的结构示意图；
图2封装后的微光纤耦合器的宽谱输出图；
图3本发明传感器在不同流速下的谐振波长移动的关系及曲线拟合图；
图4本发明传感器在不同流速下的灵敏度计算关系曲线图；
图5本发明传感器的时间响应图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步的说明，以清楚展现本发明的特点。
图1是本实施例基于微光纤耦合器的流速传感器的结构示意图，包括：微光纤耦合器1、金属薄膜2、玻璃毛细管3、聚合物胶4。金属薄膜2利用真空镀膜技术，覆盖在玻璃毛细管3外，微光纤耦合器1利用一轴旋转台，旋绕在金属薄膜2的外部一圈，再在微光纤耦合器1外使用聚合物胶4进行封装保存，这样形成了本实施例的微流速传感器。其中，微光纤耦合器1由两根普通单模光纤利用氢氧焰扫火方法制成，包含一个均匀腰区、两个锥形过渡区、两个输入端和两个输出端。金属薄膜2的材料为金，微光纤耦合器1缠绕的圈数为一圈或者多圈，取决于玻璃毛细管3的直径，当绕制多圈时，圈与圈之间的距离几百微米，防止出现耦合。聚合物胶4采用紫外固化胶。
图2显示了封装后的微光纤耦合器的宽谱输出图。每个谷代表耦合器的谐振波长。
图3展示了本发明传感器在不同流速下的谐振波长移动的关系及曲线拟合图。测量的具体步骤为：
(1)利用放大自发辐射光(1525-1565nm)作为光源，光经过微光纤耦合器1的锥形过渡区、腰区，由另一端的输出端口输入光谱仪；
(2)利用微流体注射泵从玻璃毛细管3管道的一端输入微流体，流体经过微光纤缠绕区，从管道的另一端输出；
(3)不同的微流体流速，其温度有不同的改变，使得谐振波长移动，从而实现对流速的传感检测。
本实施例中，利用的是放大自发辐射光(1525-1565nm)作为光源，功率大小有100mW、150mW、197mW。在不同的流速下，微光纤耦合器1展现出不同的谐振波长移动。当微流体的流速越大，可以带走更多的热量，温度降低越多，波长移动越多。当输入功率越大，该现象越发明显，同样流速下，波长移动同倍数增加。图中的曲线是根据公式对数据的拟合。
图4是本发明传感器在不同流速下的灵敏度计算关系曲线图。根据图3中的曲线在不同流速下的曲线斜率，计算出不同流速下的灵敏度曲线。
图5是本发明传感器的在三种流速下的时间响应图。
本发明的特色在于：1.具有超高的微流速灵敏度，同输入功率、同流速下，比之前发表过的同样基于热效应的微流速传感器(Optics Letters,39,5877-5880，2014年)的灵敏度提升了1个数量级；2.实施中仅需要一个输入光源，同时作为信号光源和泵浦光源，结构简单。3.在光路与液体分离不干扰的情况下，能够实现光液长距离的相互作用。
Claims (8)
1.基于微光纤耦合器的微流速传感器，包括中空管、微光纤耦合器和封装材料，其特征在于，中空管的外表面镀有一层金属薄膜，微光纤耦合器绕制在金属薄膜上，利用封装材料将中空管和微光纤耦合器封装在一起；所述微光纤耦合器由两根单模光纤制成，包括一个均匀腰区、两个锥形过渡区、两个输入端口和两个输出端口。
2.根据权利要求1所述的基于微光纤耦合器的微流速传感器，其特征在于，所述微光纤耦合器的绕制圈数为一圈或者多圈。
3.根据权利要求1所述的基于微光纤耦合器的微流速传感器，其特征在于，所述均匀腰区的长度为5毫米到15毫米，均匀腰区处单根光纤的直径为2微米到5微米。
4.根据权利要求1至3之一所述的基于微光纤耦合器的微流速传感器，其特征在于，所述中空管采用玻璃毛细管，直径为0.5毫米到1毫米，壁厚为50微米到150微米。
5.根据权利要求1至3之一所述的基于微光纤耦合器的微流速传感器，其特征在于，所述金属薄膜的材料为金，厚度为100纳米。
6.根据权利要求1至3之一所述的基于微光纤耦合器的微流速传感器，其特征在于，所述封装材料采用紫外固化胶。
7.利用权利要求1所述基于微光纤耦合器的微流速传感器的测量方法，其特征在于，在所述中空管内注入流体，光源产生的光进入微光纤耦合器的一个输入端口，微光纤耦合器的一个输出端口连接光谱仪；由于微光纤耦合器的均匀腰区的倏逝场被金属薄膜吸收，从而产生热量，当中空管内的流体经过的时候会带走部分热量，引起温度的改变，致使耦合器的谐振波长发生移动，通过光谱仪探测波长的移动实现流体的速度检测。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，利用放大自发辐射光作为光源。
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