CN110554211B - 一种基于光微流微腔的流速计及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光微流微腔的流速计及测量方法，其中，基于光微流微腔的流速计包括：光微流微腔、锥形光纤、光谱处理装置、信号发生器和光源，所述锥形光纤的锥形端搭靠在光微流微腔上，所述锥形光纤还分别连接所述光源和所述光谱处理装置，所述光谱处理装置包括示波器和探测器或所述光谱仪，所述光源包括宽带光源和可调谐激光源；本发明采用了回音壁模式微腔传感器的结构，通过流体自身的伯努利效应进行传感，对流体的流速进行测量，不易受到环境中电磁场的干扰，且无需加入额外的装置即可进行测量，可以通过调节回音壁模式微腔的尺寸参数(微泡腔的壁厚)，便能够大大提高该流速计的灵敏度。

Description

一种基于光微流微腔的流速计及测量方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其是一种基于光微流微腔的流速计及测量方法。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。

随着微流控芯片技术的发展，人们对片上系统的微流体控制要求越来越精细，任何流速上的变化会给微流控系统带来巨大差异，如在细胞筛选、微颗粒计数以及液滴生成等领域。因此，种类繁多的微流控流速传感器应运而生。如基于压电材料的微流体流速传感器、基于热传递的微流体流速传感器等。其中，基于压电材料的微流体流速传感器容易受到环境中电磁场的干扰；而第二类型的传感器通常需要对微流体进行一个高功率的加热，加热的过程不仅会对微流体本身的造成影响，加热源的导入还需要额外的装置。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种基于光微流微腔的流速计，通过流体自身的伯努利效应进行传感，不需要附加额外器件，且具有小尺寸、简单、便捷、不易受外界干扰的特点。

为此，本发明的第二个目的是提供一种利用基于光微流微腔的流速计的测量方法，该测量方法过流体自身的伯努利效应进行传感，不易受到外界电磁场的干扰。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供一种基于光微流微腔的流速计，该基于光微流微腔的流速计包括：光微流微腔、锥形光纤、光谱处理装置、信号发生器和光源，所述锥形光纤的锥形端搭靠在光微流微腔上面，所述锥形光纤还分别连接所述信号发生器和所述光谱处理装置，所述光源用于通过锥形光纤引入到光微流微腔中并形成谐振，再经锥形光纤导出至所述光谱处理装置。

进一步地，所述光谱处理装置由示波器和探测器组成或为光谱仪。

进一步地，所述光微流微腔为回音壁模式微腔。

进一步地，所述回音壁模式微腔为微泡型微腔。

进一步地，所述光源为宽带光源。

进一步地，所述光源由可调谐激光器产生的激光。

进一步地，所述锥形光纤与所述回音壁模式微腔的耦合方式包括欠耦合、临界耦合或过耦合。

进一步地，所述回音壁模式微腔与所述锥形光纤的锥形端通过胶体封装。

另一方面，本发明实施例提供一种利用前流速计的测量方法，包括：

将待测液体通过引入回音壁模式微腔中；

经锥形光纤，将光源引入到回音壁模式微腔中并形成谐振；

经过回音壁模式微腔谐振处理后的光源，经所述锥形光纤引入到光电探测器中；

获取回音壁模式微腔的透射光谱，并进一步获取谐振波长移动量，结合所述回音壁模式微腔的谐振公式，得到所述待测液体的流速。

进一步地，所述谐振公式为：mλ＝2nπR。

本发明的有益效果是：

本发明采用了回音壁模式微腔传感器的结构，通过流体自身的伯努利效应进行传感，对流体的流速进行测量，不易受到环境中电磁场的干扰，且无需加入额外的装置即可进行测量，只需调节回音壁模式微腔的尺寸参数，如微泡腔(即回音壁模式微腔)的壁厚参数，便能够大大提高该流速计的灵敏度，例如，微泡腔的壁厚越薄，越容易激发出高灵敏度的模式。也即对压强更将灵敏的模式，对于流速变化更加敏感。

本发明采用纯光学传感器，通过微流体的伯努利效应原理进行探测，因此无须额外添加其他加热装置等，通过将光学传感器传感器运用到微流控制芯片中实现测量，并且能够以较高的灵敏度对流体流速进行传感。

附图说明

图1是本发明实施例1的光微流微腔的流速计结构示意图；

图2是本发明实施例2的光微流微腔的流速计结构示意图；

图3是本发明实施例3的光微流微腔的流速计结构示意图；

图4是实施例2中所测得的流速与谐振波长的对应关系；

图5是实施例3中所测得的流速与谐振波长的对应关系；

图6是MBR与锥形光纤的耦合图；

图7是MBR的赤道面横切图。

附图标记

1-MBR微腔，2-锥形光纤，3-光源，4-示波器，5-探测器，6-可调谐激光器，7-偏振控制器，8-信号发生器，9-胶体，10-光谱仪。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为了能够更好的理解本申请的技术方案，现对本申请中涉及到的关键术语进行定义：

熔锥光纤(Tapered fiber)，是采用熔融拉锥法制作的单锥形或双锥形式的特殊波导结构，可以实现传输光功率的传输和耦合。

光学微腔(Micro resonator)，是指尺寸在几微米到几百微米的光学谐振腔。光学谐振腔为光提供一个反馈回路，使光可以在其中来回振荡。

回音壁模式微腔(Whispering gallery mode microcavity，WGMM)，是指一类将光限制在微腔内部进行全反射并形成谐振的一类微米尺度的谐振腔，且下文中涉及到的WGMM缩略语均可毫无意义的确定为回音壁模式微腔的含义。

MBR微腔(微泡型微腔，micro-bubble resonator，MBR)是一种中间凸起的毛细石英管结构腔体，它的有外直径，壁厚等结构参数。外直径参数可以几十到几百微米，壁厚参数可以是微米级到几十微米。通过改变腔体的壁厚参数，可以得到不同模式阶数的回音壁模式。当壁厚参数越薄时，分布在微腔内部的光场越多，能量越集中在腔内部，此时的回音壁模式更易受到内部探测环境的影响，也具有更高的灵敏度，更能感应腔体内部的压强值变化。MBR是一种特殊结构的回音壁模式微腔。

实施例1：

请参阅图1，本发明基于光微流微腔的流速计包括：光微流微腔1、锥形光纤2、光谱处理装置、信号发生器8和光源3，其中，光源是通过可调谐激光器6产生的激光通过偏振控制器7进行偏振处理，再经所述锥形光纤2耦合产生；

锥形光纤2的锥形端搭靠在光微流微腔1一侧，以便对经前述通过偏振控制器7进行偏振处理后的激光进行耦合；光微流微腔优选为回音壁模式微腔；

锥形光纤2还分别连接信号发生器8和光谱处理装置，光谱处理装置包括示波器4和探测器5，其中，信号发生器8对可调谐激光器6进行扫频控制，并与示波器4同步。

实施例2：

请参阅图2，本发明基于光微流微腔的流速计包括：光微流微腔1、锥形光纤2、光谱处理装置、信号发生器8和光源3，其中，光源是通过可调谐激光器6产生的激光通过偏振控制器7进行偏振处理，再经所述锥形光纤2耦合产生；

锥形光纤2的锥形端搭靠在光微流微腔1一侧，以便对经前述通过偏振控制器7进行偏振处理后的激光进行耦合，光微流微腔1优选为回音壁模式微腔，进一步优选为MBR微腔；

锥形光纤2还分别连接信号发生器8以及光谱处理装置，光谱处理装置包括示波器4和探测器5，其中，信号发生器对可调谐激光器6进行扫频控制，并与示波器4同步。

回音壁模式微腔1与锥形光纤2的锥形端通过胶体9封装，以形成封装的MBR微腔，此时MBR与锥形光纤位置固定，耦合不受外界环境振动等影响。

图6和图7中分别示出了MBR与锥形光纤2耦合图，其中，图6为MBR的赤道面横切图，图7为MBR轴向(毛细管延长线方向)的侧切图。

实施例3：

请参阅图3，本发明基于光微流微腔的流速计包括：光微流微腔1、锥形光纤2、光谱仪10和光源3，优选地，光源3为宽带光源；

锥形光纤2的锥形端搭靠在光微流微腔1一侧，以便对经前述通过偏振控制器7进行偏振处理后的激光进行耦合，光微流微腔1优选为回音壁模式微腔，进一步优选为MBR微腔；

锥形光纤2还分别连接宽带光源3和光谱处理装置，光谱处理装置优选为光谱仪10；

回音壁模式微腔1与锥形光纤2的锥形端通过胶体9封装，以形成封装的MBR微腔；

回音壁模式微腔位于低折射率的紫外胶体中，回音壁模式微腔即为MBR，也就是说MBR位于低折射率的紫外胶中。

上述实施例中，锥形光纤2与所述回音壁模式微腔1的耦合方式包括欠耦合、临界耦合、过耦合。

欠耦合表示少量光被耦合；临界耦合表示所有光被耦合；过耦合表示大部分光被耦合。其中优选的耦合方式为过耦合，以使激光光束的中心波长部分被有效使用，且远离激光光束中心波长部分的激光光束被耦合可能造成测量谐振波长值发生偏移，即使用远离激光光束中心波长部分的激光光束进行测量流速会造测量噪音。

在其他实施例中，由于使用光源波长宽度较窄，测量结果中的噪音成分较少，则可使用欠耦合以便使得少量光被耦合；或者使用临界耦合以便使得所有光被耦合。

在实施例1和实施例2中，锥形光纤的作用都是将光耦合到MBR微腔中，再把透射光谱引入到光谱处理装置中。所不同的是可调谐激光光源需要进行一个波长扫描，才可以得到一定波长内的透射光谱；实施例3中，宽带光源本身具备很多波长信息，直接可以通过光谱仪观察透射谱情况。

实施例4：

本发明还提供了一种测量方法，该测量方法是利用实施例1到实施例3所述的基于光微流微腔的流速计实现测量的。

本发明采用WGMM进行传感探测，具体测量步骤如下：

S1：将待测液体通过外部的注射泵引入WGMM中；

S2：经锥形光纤，将光源引入到WGMM中并进行谐振；

S3：将形成谐振后的光源经所述锥形光纤透射到光电探测器中；

S4：获取回音壁模式微腔的透射光谱，结合所述回音壁模式微腔的谐振公式，进一步获取谐振波长移动量，得到所述待测液体的流速。

在步骤S4中，在WGMM外直径参数发生变化时，根据WGMM的谐振公式，谐振波长会发生移动，通过测量WGMM透射光谱即可探知。

根据流体的伯努利效应，流体流速越快，流体内部压强越小；相反，流体流速慢，流体内部压强越大。而内部压强的改变，将会进一步引起光WGMM的外直径受到压强作用而改变。

在一种具体的实施方式中，请再次参阅图2和图3，根据WGMM的谐振公式，mλ＝2nπR(其中，λ为谐振波长，R为谐振腔半径，n为谐振腔折射率)，在流速导致的压强变化下，对谐振波长有如下两部分影响。一部分为腔体尺寸随压强大小发生改变，一部分为折射率大小发生改变，最后导致谐振波长的改变可写成如下形式：

上式中，p_i为微泡型WGMM的内部压强，p₀为微泡型WGMM的外部压强，r为微泡型WGMM的内半径。G和K为微泡型WGMM材料的剪切模量和体积模量，C为微泡型WGMM的光弹系数。只要流速发生变化，根据伯努利效应，微泡腔内的压强必然发生变化，最终会导致微泡腔的谐振波长发生波长移动。

在实施例2中，可调谐激光器6产生的激光通过偏振控制器7进行偏振处理，再经由锥形光纤2耦合到微泡型WGMM中，并利用一个低噪声光电探测器5进行探测。利用信号发生器8对可调谐激光器6进行扫频控制，并与示波器4同步。微泡型WGMM与外置注射泵连接，当泵的流速发生改变，将导致谐振腔的受到尺寸影响以及折射率影响，最后导致透射光谱中的谐振波长发生频移。参见图4，可得到实施例2流速与谐振波长的对应关系。

如图4所示，图4中，横轴坐标为将待测液体流速，纵轴为WGMM的谐振波长移动量，插图为光谱仪在流速为0时以及测量当前流速所记录的光学模式位置，通过查阅WGMM的谐振波长移动量，即可知待测液体的流速。

在实施例3中，宽带光源3产生的激光通过锥形光纤1耦合到微泡型WGMM中，并利用一个光谱处理装置进行探测。微泡型WGMM与外置注射泵连接，当泵的流速发生改变，将导致谐振腔(微泡型WGMM)的受到尺寸影响以及折射率影响，最后导致透射光谱中的谐振波长发生频移。参见图5，可得到实施例3可以得到流速与谐振波长的对应关系。

如图5所示，图5中，横轴坐标为将待测液体流速，纵轴为WGMM的谐振波长移动量，插图为光谱仪在流速为0时以及测量当前流速所记录的光学模式位置，通过查阅WGMM的谐振波长移动量，即可知待测液体的流速。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种基于光微流微腔的流速计，其特征在于，包括：光微流微腔、锥形光纤、光谱处理装置、信号发生器和光源，所述锥形光纤的锥形端搭靠在所述光微流微腔上，所述锥形光纤还分别连接所述信号发生器和所述光谱处理装置，所述光源用于通过所述锥形光纤引入到所述光微流微腔中进行谐振处理，再经所述锥形光纤导出至所述光谱处理装置，所述流速计不包括加热装置，所述光微流微腔为回音壁模式微腔，所述回音壁模式微腔为微泡型微腔，所述微泡型微腔与外置注射泵连接；

当所述外置注射泵的流速发生改变，所述微泡型微腔投射光谱中的谐振波长发生频移，其中，所述谐振波长的公式为：mλ＝2nπR，

2.根据权利要求1所述基于光微流微腔的流速计，其特征在于，所述光谱处理装置由示波器和探测器组成或为光谱仪。

3.根据权利要求1所述基于光微流微腔的流速计，其特征在于，所述光源为宽带光源。

4.根据权利要求1所述基于光微流微腔的流速计，其特征在于，所述光源由可调谐激光器产生的激光通过偏振控制器进行偏振处理，再经所述锥形光纤耦合产生。

5.根据权利要求1-4任一项所述基于光微流微腔的流速计，其特征在于，所述回音壁模式微腔与所述锥形光纤的锥形端通过胶体封装。

6.根据权利要求1-4任一项所述基于光微流微腔的流速计，其特征在于，所述锥形光纤与所述回音壁模式微腔的耦合方式包括欠耦合、临界耦合或过耦合。

7.一种基于光微流微腔的流速计的测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1至6任一项所述基于光微流微腔的流速计，包括：

将待测液体引入所述回音壁模式微腔中；

经所述锥形光纤，将所述光源引入所述回音壁模式微腔中进行谐振；

经过所述回音壁模式微腔谐振处理后的光源，经所述锥形光纤引入到光电探测器中；

获取所述回音壁模式微腔的透射光谱，并获取谐振波长移动量，结合所述回音壁模式微腔的谐振公式，得到所述待测液体的流速；

所述谐振公式为：mλ＝2nπR，

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