CN111272700A - 一种基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法，它包括双层矩形板和光纤传感部分。双层矩形板由上层矩形板和下层矩形板无缝连接构成。上层矩形板包括入水柱和出水柱；下层矩形板包括圆柱孔、柱型凹槽、矩形凹槽微流道、矩形卡槽，矩形卡槽尺寸与上层矩形板尺寸相同。将光纤传感部分置于微流道内，两端固定在柱型凹槽内，依次将宽带光源、双层矩形板微流道的折射率传感器及光谱仪相连接，构成折射率传感系统，根据输出光谱干涉波谷对折射率的响应变化，实现折射率的测量。本发明不仅具有结构简单、制作成本低、灵敏度高、稳定性好、易于商业化等优点，并采用微流道设计，减少被测样品用量，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其是一种基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法。
技术背景
近年来，光纤传感器由于其成本便宜、易于制造、结构简单、受电磁干扰小、适合于恶劣环境等诸多优势得到了深入的研究和迅速的发展。光纤传感器可以实现对各种物理参数的精确测量，如温度、折射率、磁场、化学物质浓度和气体浓度等，并且准确性较高，因此被广泛应用于生物、化学、医疗等各个领域。
折射率是物质重要的光学参数之一，可以直观的反应被测物质的浓度，因此折射率传感器在生化分析、食品检测、环境监测、工业生产等领域有良好的应用前景。传统的电学类折射率传感器结构复杂，制备成本较高，测量技术还比较落后，难以满足抗电磁干扰、耐高温、高精度测量等要求。而光纤折射率传感器的出现，解决了很多测量方面的难题。目前，光纤折射率传感器凭借其体积小、制作简单、成本低、抗电磁干扰强等诸多优势成为光学传感领域研究的热点之一。目前所提出的光纤折射率传感器制备复杂，有些传感器还需要特殊的加工技术，使得传感器的制作成本和难度增加，不利于实用化。因此，亟需提出一种制作价格便宜、结构简单、方便实用化的折射率传感器的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法，解决现有折射率传感器测量灵敏度低、待测液体容积大、不利于减小体积以及制作成本高等问题。
本发明所采用的技术方案是：一种基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法，其特征在于，包括宽带光源、双层矩形板、光纤传感部分以及光谱仪。
所述双层矩形板由上层矩形板和下层矩形板粘合在一起构成。
所述双层矩形板包括上层矩形板和下层矩形板两部分，其中上层矩形板上表面有两个圆柱，每个圆柱中心都有一个通孔，贯穿整个矩形板，作为样品入口和出口，样品从入口柱流入，通过方形凹槽微流道后，从出口柱流出，矩形板四周具有圆角，便于与下层矩形板无缝贴合。
所述双层矩形板包括上层矩形板和下层矩形板两部分，其中下层矩形板上表面具有一个矩形卡槽，其尺寸与上层矩形板底部尺寸相同，用于放置上层矩形板，矩形板中间有一段矩形凹槽微流道，作为样品池，矩形微流道两侧有两段柱型凹槽，用于固定光纤，矩形板四周有四个圆柱孔，用于固定双层矩形板结构。
所述光纤传感部分包括无芯光纤以及两段单模光纤，将无芯光纤熔接在两段单模光纤之间，并把无芯光纤部分放置在下层矩形板的凹槽微流道中，用来检测样品折射率的变化，两侧的柱型凹槽用于固定单模光纤，并将两段单模光纤的另一端分别与宽带光源和光谱仪相连。
基于双层矩形板微流道折射率传感器的测试方法，利用上述传感器实现，当微流道内注入样品后，光信号由宽带光源发出，经过光纤传感部分，由光谱分析仪监测并记录输出光谱。当样品折射率发生变化时，输出光谱发生漂移，根据光谱自成像峰谷对应的波长变化，可以获得样品的浓度变化情况。
与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
本发明的优越性在于，集成双层矩形板微流道的折射率传感器具有结构简单、制作容易、成本便宜、灵敏度高、响应速度快、稳定性好、可以重复使用的优势。采用微流道，可减小被检测样品的用量，且易于商品化，方便使用，在光纤生化传感器领域具有广泛的应用场景。
附图说明
图1为本发明使用的集成微流道折射率传感器结构示意图。
图2(a)为本发明使用的集成双层矩形板上层矩形板结构正面示意图；图2(b)为其底面示意图。
图3(a)为本发明使用的集成双层矩形板下层矩形板结构正面示意图；图3(b)为其左面示意图。
图4为本发明使用的集成微流道折射率传感系统示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-上层矩形板；2-下层矩形板；3-圆柱孔(用于固定传感器)；4-柱型凹槽(用于固定单模光纤)；5-入口柱；6-出口柱；7-样品注入孔；8-矩形凹槽微流道；9-矩形卡槽(用于贴合上层矩形板)；10-单模光纤；11-无芯光纤；12-双层矩形板微流道折射率传感器；13-液体泵；14- 宽带光源；15-光谱仪。
具体实施方式
本发明公开了一种基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法，主要包括宽带光源、双层矩形板微流道的折射率传感器、光谱仪。
本发明是利用下述技术方案实现的：在一段无芯光纤两端熔接两段单模光纤构成SNCS (单模-无芯-单模)结构，将无芯光纤置于下层矩形板中的微流道中，两端的单模光纤固定在柱型凹槽中，并将上层矩形板和下层矩形板粘合在一起，上层矩形板的入水柱和出水柱之间连接一个液体泵，使注入样品循环起来，两段单模光纤的两侧分别连接宽带光源和光谱仪，构成折射率检测系统。
本发明所依据的科学原理：光信号由宽带光源发出，传感器中的无芯光纤用于感知折射率的变化，当注入传感器的样品浓度发生变化时，其折射率也发生变化，使得输出光谱中的自成像峰发生漂移，光谱仪用于监测并记录输出光谱，可以通过测量不同待测样本下光谱仪输出光谱的自成像峰谷值的变化得到样本浓度的变化。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，一种基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构，包括上层矩形板1和下层矩形板2，使用光敏树脂材料，由3D打印机打印制成。上层矩形板和下层矩形板通过粘合剂无缝粘合在一起。
如图2(a)和图2(b)所示，上层矩形板上表面有两个圆柱，作为入水柱5和出水柱6。入水柱和出水柱中心各有一个通孔7，用于样品的流入和流出，矩形板四周设有圆角，便于与下层矩形板贴合。
如图3(a)和图3(b)所示，下层矩形板四周有四个圆柱孔3，用于固定传感器；两侧各有一个柱型凹槽4，用于固定单模光纤；矩形板中间有一个矩形凹槽微通道8(长为90mm，宽为 1mm，高为1mm)；上表面有一个矩形卡槽9，其尺寸与上层矩形板尺寸相同，用于与上层矩形板贴合。将无芯光纤11熔接在两段单模光纤10之间，无芯光纤放置在微通道内，用来检测样品折射率的变化，两端的单模光纤固定在柱型凹槽内。
如图4所示，一种集成微流道折射率传感系统，包括宽带光源、双层矩形板微流道折射率传感器、液体泵、光谱仪。将双层矩形板微流道折射率传感器的入水口和出水口分别与液体泵的两端连接，使被测样品循环流动，确保测量的稳定性。光信号由宽带光源发出，将被测样品注入传感器内，无芯光纤用来感知样品折射率的变化，由光谱仪监测并记录输出光谱。当被测样品浓度发生变化时，输出光谱的自成像峰发生偏移，可以通过测量不同待测样本下光谱仪输出光谱的自成像峰谷值波长反演得到样本浓度。
Claims (6)
1.一种基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法，包括双层矩形板及光纤传感部分，其特征在于，双层矩形板由上层矩形板和下层矩形板无缝粘合制成，并将光纤传感部分固定在双层矩形板内，构成折射率传感器。
2.如权利要求1所述的基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法，其特征是，上层矩形板上表面有两个圆柱，每个圆柱中心都有一个通孔，贯穿整个矩形板，作为样品入口和出口，矩形板四周具有圆角。
3.如权利要求1所述的基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法，其特征是，下层矩形板上表面具有一个矩形卡槽，其尺寸与上层矩形板底部尺寸相同，用于放置上层矩形板，矩形板中间有一段矩形凹槽微流道，作为样品池，矩形凹槽两侧有两段柱型凹槽，用于固定光纤，矩形板四周有四个圆柱孔，用于固定传感头结构。
4.如权利要求1所述的基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法，其特征是，上层矩形板与下层矩形板通过粘合剂无缝连接在一起，样品从入口柱流入，通过方形凹槽微流道后，从出口柱流出。
5.如权利要求1所述的基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法，其特征是，将传感光纤部分固定在双层矩形板的微流道内，用于检测样品折射率的变化。
6.如权利要求1所述的基于双层矩形板微流道的折射率传感器结构及其制备方法，其特征是，光纤传感部分两端分别与宽带光源和光谱仪相连接，构成集成微流道折射率传感系统。
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