CN107024604B - 一种全封闭式光阱传感控制单元及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全封闭式光阱传感控制单元及其制作方法。全封闭式光阱传感控制单元包括储存微球的微型通腔、用于固定和操作微型通腔的微型操作棒以及带有通道和通槽的基底。基底上的通道用于固定和对准两根单模光纤。基底上的通槽用于固定和存放微型操作棒。制作方法包括微型通腔的制作，基底的制备，微球的封装和整体对准与封装四个步骤。本发明利用微型通腔限制微球运动范围，提高了微球的捕获效率，便于对微球进行重复捕获，同时隔绝了外界污染和影响。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感领域，尤其是光阱传感器的片上集成式装置。
背景技术
光阱传感器是光学传感器的一个分支，它利用光辐射产生的微小力实现对传感器中微球的悬浮式支撑，消除了由接触式支撑方式导致的各种误差，降低了环境敏感性。随着光电科技的发展，光阱传感器逐渐展现出其在高精度、高灵敏度、小型化方面的发展潜力。
片式光阱传感控制单元是光阱传感器中至关重要的一个组成元件。它设计的好坏直接影响到光阱传感器的工作效率、测量精度和灵敏度。光阱传感器需要对单个微球进行高效率捕获、高精度位置测量和高稳定控制。但是目前大多数生产厂家或者研究机构所研制的片式敏感单元均是针对化学、生物、医药等需要高通量的实验，属于半密封式片式单元，不能实现微粒的长时间稳定捕获，限制了微粒位置探测精度。而且目前大多空间光阱所采用的片式单元的微腔空间较大，微粒捕获效率不高。
我们曾公开了一种全密闭式片式光阱传感控制单元及其制作方法（CN105759073），现在提出另外一种方案。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种全封闭式光阱传感控制单元及其制作方法。
一种全封闭式光阱传感控制单元，包括储存微球的微型通腔、用于固定和操作微型通腔的微型操作棒以及带有通道和通槽的基底；
所述的微型通腔通过截取一段内边长为10-90微米的方形毛细管得到，截取前所述的方形毛细管预先和石英玻璃片用紫外光胶粘合；
所述的基底表面刻有通道和通槽，通道用于固定和对准两根单模光纤，通槽用于固定和存放微型操作棒；
所述的微型通腔的开口面积小于单模光纤端面面积，微型通腔内壁的四个面与两根单模光纤的端面构成一个封闭区域，用于存放微球；
所述的通道为V形通道，横截面为等边三角形，通道和通槽相互垂直；
所述的通槽的横截面为矩形，通槽的宽度大于微型操作棒的宽度。
所述的单模光纤的轴线与微型通腔的中轴线重合，所述的通槽的加工深度d由微型通腔的外边长b、微型操作棒的厚度l、通道的横截面边长x和第一单模光纤、第二单模光纤裸纤直径2r参数决定，满足几何关系：
。
一种全封闭式光阱传感控制单元的制作方法，包括微型通腔的制作，基底的制备，微球的封装和整体对准与封装；
所述的微型通腔的制作过程包括方形毛细管与盖玻片的粘胶固化、机械切割和清洗烘干；
所述的基底的制备过程包括通道和通槽的机械加工和基底的清洗；
所述的微球的封装过程包括微纳棒的制作和将微球放入微型通腔；
所述的整体对准与封装包括微型操作棒在通槽内的对准、单模光纤的在通道内的对准和紫外光胶固化。
具体制作步骤如下：
一、微型通腔的制作具体操作步骤为：
1.1将厚度为亚毫米量级的干净石英玻璃片切成20mm×20mm的正方形；
1.2用丁烷喷灯灼烧方形毛细管外侧的保护层，用酒精擦拭干净后，截成30mm的长度，放入盛有无水乙醇的容器中进行超声清洗；
1.3用镊子将方形毛细管放置在玻璃片正中间，让方形毛细管两端伸出玻璃片边缘，与玻璃片边缘垂直放置；
1.4用光纤蘸取少量紫外光胶，涂在方形毛细管与玻璃片接触部位的两侧，在紫外光下照射2分钟，然后在120℃的烘箱内加热固化6小时；
1.5垂直于方形毛细管长度的方向切割粘在一起的方形毛细管和玻璃片，方形毛细管被切割成宽度为200微米的微型通腔，玻璃片被切割成宽度为200微米、长度为20mm的微型操作棒，微型操作棒的厚度为玻璃片的厚度，微型通腔和微型操作棒通过紫外光胶粘合为一体。
二、基底的制备具体操作步骤为：
2.1将厚度为1mm的石英玻璃片切成20mm×5mm的长方形作为基底，沿基底上表面短边的中垂线切出边长为206微米的通道；
2.2根据微型通腔、微型操作棒、通道和单模光纤的尺寸参数计算得到通槽的加工深度和宽度，沿基底上表面长边的中垂线切出通槽；
2.3将微型操作棒和基底先后放入盛有无水乙醇和超纯水的容器中分别超声清洗3分钟，取出后放在80℃烤盘上烘干。
三、微球的封装具体操作步骤为：
3.1取10mm长的玻璃点样毛细管，从中间加热、拉伸并截断，得到两根微纳棒；微纳棒的一端为未拉伸的毛细管，另一端为直径小于微型通腔内边长的尖端。尖端直径为1-50微米，长度大于200微米；
3.2用脱脂棉蘸酒精擦拭尖端，蘸取少量微球，伸入微型通腔，来回挪动微纳棒，使尖端上的微球转移黏附到微型通腔的内壁；
四、整体对准与封装具体操作步骤为：
4.1取两根单模光纤，去除涂敷层，用光纤切割刀切割得到平整的端面，用脱脂棉蘸酒精擦拭干净；
4.2 将微型操作棒放入基板的通槽里，粘有微型通腔的一面朝上，微型通腔的开口方向与通道的方向平行；
4.3将两根单模光纤分别放入通槽两侧的通道内，两根单模光纤的端面分别贴合微型通腔开口的两个端面；调整微型操作棒在通槽中的位置，使微型通腔的中轴线与单模光纤的轴线重合；
4.4用光纤蘸取少量紫外光胶，涂在通道和通槽内，让胶水填充单模光纤与通道间的缝隙，填充微型操作棒与通槽间的缝隙，并自然扩展到靠近微型通腔的区域，照射紫外光2分钟进行固化。
所述的步骤3.2中，可以根据实际需求将单个或多个微球封存在微型通腔和单模光纤端面构成的封闭区域内，将微球的运动范围限制在封闭区域内，提高了微球的捕获效率，可对微球进行重复捕获，同时隔绝了外界污染和影响。
片式光阱传感控制单元的工作原理是普通单模光纤用于激光传输，形成双光束光阱。单模光纤出光面直接面对微型通腔，双光束光阱捕获区域刚好在微型通腔内部。当封闭区域内的微球处于光阱捕获区域时，会在光阱力的作用下将移动到光阱中受力平衡点。通过调整激光的输出光功率，将微粒调整至光阱的中心位置。对片式光阱传感单元施加一定的加速度，微粒会相对光阱中心位置产生一定的偏移，从而可以得到所施加加速度的值。
由于微型通腔的尺寸太小，直接加工和操作存在困难，在光阱传感单元结构的制作过程中引入微型操作棒，可以降低微型通腔的加工和操作难度。
利用微纳棒的尖端封装微球的方法，可以提高封装微球的效率，精确控制封装微球的数量。
附图说明
图1为光阱传感控制单元的结构示意图；
图2为光阱传感单元中微型通腔和单模光纤在基板通槽和通道内的相对位置示意图；
图3为基板上通槽截面示意图；
图4为基板上通道的截面示意图；
图中，微型通腔1、微型操作棒2、基底3、通道4、通槽5、第一单模光纤6、第二单模光纤7。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1、2所示，本发明提供一种高捕获效率、光纤对准精度高、易于加工、组装和清洗的全封闭式光阱传感控制单元，包括储存微球的微型通腔1、用于固定和操作微型通腔的微型操作棒2以及带有通道和通槽的基底3；
所述的微型通腔1通过截取一段内边长为10-90微米的方形毛细管得到，截取前所述的方形毛细管预先和石英玻璃片用紫外光胶粘合；
所述的基底3表面刻有通道4和通槽5，通道4用于固定和对准第一单模光纤6和第二单模光纤7，通槽5用于固定和存放微型操作棒2；
所述的微型通腔1的开口面积小于第一单模光纤6、第二单模光纤7的端面面积，微型通腔内壁的四个面与第一单模光纤6、第二单模光纤7的端面构成一个封闭区域，用于存放微球；
如图3所示，所述的通槽5的横截面为矩形，通槽5的宽度大于微型操作棒2的宽度；如图4所示，所述的通道4为V形通道，横截面为等边三角形，通道4和通槽5相互垂直。所述的单模光纤的轴线与微型通腔1的中轴线重合，所述的通槽5的加工深度d由微型通腔1的外边长b、微型操作棒2的厚度l、通道4的横截面边长x和第一单模光纤6、第二单模光纤7裸纤直径2r参数决定，满足几何关系：
。
全封闭式光阱传感控制单元的制作过程包括微型通腔的制作，基底的制备，微球的封装和整体对准与封装。
一、微型通腔的制作
1将厚度为0.31mm的干净石英玻璃片切成20mm×20mm的正方形，先后放入盛有无水乙醇和超纯水的容器中分别超声清洗3分钟，取出后放在80℃烤盘上烘干。
2用丁烷喷灯灼烧方形毛细管外侧的保护层，用酒精擦拭干净后，截成30mm的长度，放入盛有无水乙醇的容器中进行超声清洗，方形毛细管的内边长为50微米，外边长为300微米。
3用镊子将方形毛细管放置在玻璃片正中间，让方形毛细管两端伸出玻璃片边缘，与玻璃片边缘垂直放置，防止后续粘胶步骤紫外光胶污染毛细管的内壁。
4用光纤蘸取少量紫外光胶，涂在方形毛细管与玻璃片接触部位的两侧，在紫外光下照射2分钟，然后在120℃的烘箱内加热固化6小时。
5将固化后的方形毛细管和玻璃片固定在加工机床上进行机械切割：垂直于方形毛细管长度的方向切割粘在一起的方形毛细管和玻璃片。切割刀片的宽度为70微米，切割时切面的崩口很小，可保证微型通腔的端面平整。相隔200微米切割两刀，便可将方形毛细管切割成一截宽度为200微米的微型通腔1，将玻璃片切割成宽度为200微米、长度为20mm的微型操作棒2。微型操作棒2的厚度为原玻璃片的厚度，切割后微型通腔1和微型操作棒2通过紫外光胶粘合为一体。
二、基底的制备
1将厚度为1mm的普通石英玻璃片切成20mm×5mm的长方形作为基底3，沿基底上表面短边的中垂线切出边长为206微米的通道4，普通单模光纤的裸纤直径为125微米。因此，通道4的等边三角形截面刚好外切于单模光纤的圆形截面。
2根据微型通腔1、微型操作棒2、通道4和第一单模光纤6和第二单模光纤7的尺寸参数计算得到通槽5的加工深度为513微米。将通槽的宽度设置为320微米（大于微型操作棒2的宽度200微米，沿基底上表面长边的中垂线切出通槽5。
3将微型操作棒2和基底3先后放入盛有无水乙醇和超纯水的容器中分别超声清洗3分钟，取出后放在80℃烤盘上烘干。
三、微球的封装
1取10mm长的玻璃点样毛细管，放在丁烷喷灯上，从中间加热、拉伸并截断，得到两根微纳棒；微纳棒的一端为未拉伸的毛细管，另一端为直径小于微型通腔（1内边长的尖端。在显微镜下测量得到，尖端直径为1-30微米，长度约为400微米。
2用脱脂棉蘸酒精擦拭尖端，蘸取少量直径为10微米的二氧化硅干粉状微球。将微纳棒和微型通腔1分别固定在光纤耦合台的两个耦合基座上，在显微成像的协助下，调节耦合基座的机械旋钮，将微纳棒对准微型通腔1的开口，伸入微型通腔1，来回挪动微纳棒，使尖端上的微球转移黏附到微型通腔1的内壁。在显微成像的协助下，控制黏附在内壁的微球数量。
四、整体对准与封装
1取两根单模光纤，用剥线钳去除涂敷层，用光纤切割刀切割得到平整的端面，用脱脂棉蘸酒精擦拭干净。
2将基板3固定在光纤耦合基座上，用镊子将微型操作棒2放入基板3的通槽5里，让粘有微型通腔1的一面朝上，让微型通腔1的开口方向与通道4的方向平行。
3在光纤耦合台上将第一单模光纤6和第二单模光纤7分别放入通槽5两侧的通道4内，第一单模光纤6和第二单模光纤7的端面分别贴合微型通腔1开口的两个端面；取一小段干净的光纤推动微型操作棒2的一端，调整微型操作棒2在通槽5中的位置。如图2所示，使微型通腔1的中轴线与单模光纤的轴线重合；
4用光纤蘸取少量紫外光胶，涂在通道4和通槽5内，让胶水填充第一单模光纤6和第二单模光纤7与通道4间的缝隙，填充微型操作棒2与通槽5间的缝隙，并自然扩散到靠近微型通腔1的区域，及时照射紫外光2分钟进行固化，以免紫外光胶进入微型通腔1污染内壁。
以上是对本发明所提出的全封闭式的光阱传感控制单元的详细介绍。虽然本文中就具体实施方式进行了详细的阐述，但是本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改和等同替换，都不脱离本发明技术方案的原理和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。
Claims (5)
1.一种全封闭式光阱传感控制单元，其特征在于，包括储存微球的微型通腔（1）、用于固定和操作微型通腔的微型操作棒（2）以及带有通道和通槽的基底（3）；
所述的微型通腔（1）通过截取一段内边长为10-90微米的方形毛细管得到，截取前所述的方形毛细管预先和石英玻璃片用紫外光胶粘合；
所述的基底（3）表面刻有通道（4）和通槽（5），通道（4）用于固定和对准第一单模光纤（6）和第二单模光纤（7），通槽（5）用于固定和存放微型操作棒（2）；
所述的微型通腔（1）的开口面积小于第一单模光纤（6）、第二单模光纤（7）的端面面积，微型通腔内壁的四个面与第一单模光纤（6）、第二单模光纤（7）的端面构成一个封闭区域，用于存放微球；
所述的通道（4）为V形通道，横截面为等边三角形，通道（4）和通槽（5）相互垂直；
所述的通槽（5）的横截面为矩形，通槽（5）的宽度大于微型操作棒（2）的宽度。
2.根据权利要求1所述的全封闭式光阱传感控制单元，其特征在于，所述的第一单模光纤（6）、第二单模光纤（7）的轴线与微型通腔（1）的中轴线重合，所述的通槽（5）的加工深度d由微型通腔（1）的外边长b、微型操作棒（2）的厚度l、通道（4）的横截面边长x和第一单模光纤（6）、第二单模光纤（7）裸纤直径2r参数决定，满足几何关系：。
3.一种根据权利要求1所述的全封闭式光阱传感控制单元的制作方法，其特征在于，步骤包括微型通腔的制作，基底的制备，微球的封装和整体对准与封装；
所述的微型通腔的制作过程包括方形毛细管与石英玻璃片的粘胶固化、机械切割和清洗烘干；
所述的基底的制备过程包括通道（4）和通槽（5）的机械加工和基底（3）的清洗；
所述的微球的封装过程包括微纳棒的制作和将微球放入微型通腔（1）；
所述的整体对准与封装包括微型操作棒（2）在通槽内的对准、第一单模光纤（6）、第二单模光纤（7）在通道内的对准和紫外光胶固化。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，具体步骤如下：
一、微型通腔的制作
1.1将厚度为亚毫米量级的干净石英玻璃片切成20mm×20mm的正方形；
1.2用丁烷喷灯灼烧方形毛细管外侧的保护层，用酒精擦拭干净后，截成30mm的长度，放入盛有无水乙醇的容器中进行超声清洗；
1.3用镊子将方形毛细管放置在玻璃片正中间，让方形毛细管两端伸出玻璃片边缘，与玻璃片边缘垂直放置；
1.4用光纤蘸取少量紫外光胶，涂在方形毛细管与玻璃片接触部位的两侧，在紫外光下照射2分钟，然后在120℃的烘箱内加热固化6小时；
1.5垂直于方形毛细管长度的方向切割粘在一起的方形毛细管和玻璃片，方形毛细管被切割成宽度为200微米的微型通腔（1），玻璃片被切割成宽度为200微米、长度为20mm的微型操作棒（2），微型操作棒（2）的厚度为玻璃片的厚度，微型通腔（1）和微型操作棒（2）通过紫外光胶粘合为一体；
二、基底的制备
2.1将厚度为1mm的石英玻璃片切成20mm×5mm的长方形作为基底（3），沿基底上表面短边的中垂线切出边长为206微米的通道（4）；
2.2根据微型通腔（1）、微型操作棒（2）、通道（4）和第一单模光纤（6）、第二单模光纤（7）的尺寸参数计算得到通槽（5）的加工深度和宽度，沿基底上表面长边的中垂线切出通槽（5）；
2.3将微型操作棒（2）和基底（3）先后放入盛有无水乙醇和超纯水的容器中分别超声清洗3分钟，取出后放在80℃烤盘上烘干；
三、微球的封装
3.1取10mm长的玻璃点样毛细管，从中间加热、拉伸并截断，得到两根微纳棒；微纳棒的一端为未拉伸的毛细管，另一端为直径小于微型通腔（1）内边长的尖端，尖端直径为1-50微米，长度大于200微米；
3.2用脱脂棉蘸酒精擦拭尖端，蘸取少量微球，伸入微型通腔（1），来回挪动微纳棒，使尖端上的微球转移黏附到微型通腔（1）的内壁；
四、整体对准与封装
4.1取一根第一单模光纤（6）和一根第二单模光纤（7），去除涂敷层，用光纤切割刀切割得到平整的端面，用脱脂棉蘸酒精擦拭干净；
4.2 将微型操作棒（2）放入基板（3）的通槽（5）里，粘有微型通腔（1）的一面朝上，微型通腔（1）的开口方向与通道（4）的方向平行；
4.3将一根第一单模光纤（6）和一根第二单模光纤（7）分别放入通槽（5）两侧的通道（4）内，一根第一单模光纤（6）和一根第二单模光纤（7）的端面分别贴合微型通腔（1）开口的两个端面；调整微型操作棒（2）在通槽（5）中的位置，使微型通腔（1）的中轴线与单模光纤的轴线重合；
4.4用光纤蘸取少量紫外光胶，涂在通道（4）和通槽（5）内，让胶水填充第一单模光纤（6）、第二单模光纤（7）与通道（4）间的缝隙，填充微型操作棒（2）与通槽（5）间的缝隙，并自然扩散到靠近微型通腔（1）的区域，照射紫外光2分钟进行固化。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述的步骤3.2中，根据实际需求将特定数量的微球封存在微型通腔（1）和第一单模光纤（6）、第二单模光纤（7）端面构成的封闭区域内，将微球的运动范围限制在封闭区域内，提高了微球的捕获效率，可对微球进行重复捕获，同时隔绝了外界污染和影响。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: She Xuan Inventor after: Hu Huizhu Inventor after: Fu Zhenhai Inventor after: Liu Cheng Inventor after: Shu Xiaowu Inventor before: Hu Huizhu Inventor before: Fu Zhenhai Inventor before: She Xuan Inventor before: Shu Xiaowu Inventor before: Liu Cheng |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information |