CN117074311A - 液体浓度检测用微泡透镜传感芯片及制备方法和检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学传感器技术领域，具体为一种液体浓度检测用微泡透镜传感芯片及制备方法和检测系统。本发明传感芯片包括中间有微泡的石英毛细管、单模光纤、传感器封装支架以及盖玻片；微泡为中空结构；单模光纤端面平整，光纤纤芯垂直对准于微泡的球心，光纤端面与微泡之间的距离为微泡透镜的焦距；传感器封装支架用于固定毛细石英管和单模光纤；盖玻片覆盖在封装支架上。本发明基于微泡的透镜效应，实现对单模光纤输出光斑的准直，当改变微泡内部的溶液浓度时，微泡透镜的焦距发生改变，通过对其输出准直光斑大小的测量，即可测定微泡内部溶液的浓度；传感芯片结构简单，制备方便，重复利用率高。还包括以传感芯片为基础的液体浓度检测系统。
Description
技术领域
本发明属于光学传感器技术领域，具体涉及用于液体浓度检测的微泡透镜传感芯片、其制备方法和液体浓度检测系统。
背景技术
常见的液体浓度检测技术有液相色谱法、吸收光谱法、光纤干涉仪、光学微腔传感器等，尽管基于光学原理的传感技术具有快速实时检测、非破坏性以及抗电磁干扰能力强等优点，以上大部分技术仍需要复杂的检测系统或检测仪器，如光纤干涉仪需要可调谐激光器或宽谱相干光源，吸收光谱法不仅需要光谱分析仪，还要求激光器具有稳定的输出光强度等，导致现有的各类液体浓度检测仪器体积庞大，且价格昂贵。
微透镜目前被广泛的应用于光束整形、成像、缩束扩束以及光镊等技术中，关于通过监测微透镜输出光斑大小对液体浓度检测的技术很少被报道。可调谐焦距的微透镜由于其聚焦性能容易受透镜尺寸或透镜相对于环境折射率对比度的影响，基于该原理可以通过监测输出光斑的大小对一些物理参数进行检测，如环境折射率或透镜自身折射率。大部分情况下折射率与液体的浓度呈线性关系，因此通过实时的监测透镜输出光斑的大小，可实现对于液体浓度的测量，不仅克服了对复杂的光源与探测器的需求，而且可以大大缩小传感器的体积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实现低成本、便携且实时监测液体浓度的微泡透镜传感芯片及其制备方法，此外还提供基于该微泡透镜传感芯片的液体浓度(如酒精浓度、糖浓度)实时检测系统。
本发明提供的用于液体浓度(如酒精浓度、糖浓度)检测的微泡透镜传感芯片，其结构如图1(ⅰ)所示；包括：一根中间部位制备有微泡6的石英毛细管1、单模光纤2、传感器封装支架3以及盖玻片5；其中：
所述微泡6为中空结构，当微泡内部填充液体时，形成球透镜；
所述单模光纤2的端面平整；单模光纤的一端与外接的激光器连接，用于将光导入单模光纤中，另一端将光输出并照射在微泡6表面；
所述单模光纤2的纤芯垂直对准于石英微泡球透镜的球心，单模光纤2输出端面与石英微泡透镜之间的距离为微泡透镜的焦距；
所述微泡6与单模光纤2成垂直放置，微泡6的球心与单模光纤2纤芯重合，单模光纤2输出的光经过微泡透镜后为准直的平行光；
所述传感器封装支架3用玻璃拼接而成或由3D打印制备，用于固定中间制备有微泡6的石英毛细管1和单模光纤2，以确保两者的相对位置不会发生偏移；
所述盖玻片5覆盖在传感器封装支架3上，用于保护传感器核心器件石英微泡6和单模光纤2的相对位置不受扰动；
所述石英毛细管1(即在微泡6左右两侧的)两端开口，一端通过特氟龙管与外接的微流控系统连接，另一端通过特氟龙管与待测分析物连接。
本发明中，所述石英毛细管1的直径为50-1000μm。
本发明中，所述石英微泡6的直径为100-2000μm，壁厚为5-15μm，微泡的形状为球状。
本发明中，所述石英毛细管1的材料优选为二氧化硅。
本发明中，所述单模光纤2的纤芯直径为4-10μm；所述单模光纤2光波长传输范围为380-780nm的可见光。
本发明中，所述单模光纤2纤芯输出的光斑直径为4-10μm的高斯光斑，相对于石英微泡透镜可以看作是一个理想的点光源。
本发明中，所述传感器封装支架，通过一个凸起的平台固定单模光纤2，通过一个玻璃凹槽固定石英微泡6。
本发明中，所述石英微泡6与单模光纤通过紫外胶4固定在传感器封装支架3上；其中石英微泡两侧的毛细石英管通过紫外胶固定在传感器封装支撑架3上的玻璃凹槽中；单模光纤2端面端悬浮于空中2-10mm的长度，其余部位通过紫外胶固定在传感器封装支撑架3的玻璃凸台上。
本发明中，所述传感器封装支架上覆盖一层透明的盖玻片5，用于保护传感器核心器件石英微泡和单模光纤的相对位置不受扰动。
本发明中，所述石英微泡6内部的液体浓度不同时，石英微泡透镜的有效折射率发生改变，导致微泡的聚焦性能发生改变，单模光纤的端面11输出的光经过石英微泡透镜后的准直效果发生改变，如图1(ⅱ)所示；其中：
所述微泡透镜内部液体浓度为低浓度9时，微泡焦距较长，数值孔径小，对入射光的收集能力弱，CCD成像器件16探测端面12探测到的光斑像素点数小；
所述微泡透镜内部液体浓度为高浓度10时，微泡焦距较短，数值孔径大，对入射光的收集能力强，CCD成像器件16探测端面12探测到的光斑像素点数大。
这里，浓度高、低，焦距长、短，孔径大、小，光斑像素点数大、小，均为相比较而言。
本发明提供的微泡透镜传感芯片可用于液体浓度(如酒精浓度、糖浓度)检测。在进行检测时，根据不同浓度检测对象对光的折射效应，结合CCD成像器件对准直光斑的大小测量，实现基于光学手段、实时快速定量检测液体浓度。
本发明还提供上述微泡透镜传感芯片的制备方法，如图2所示，具体步骤为：
(1)选取一段毛细石英微管，通过熔融鼓吹的方式，在其上面制备形状为球形的微泡，其中微泡的数量为1个；
(2)用玻璃片组装或者用3D打印技术制备传感器封装支架3；
(3)将单模光纤的端面清理干净，并利用光纤切割刀将其端面切割平整，然后利用紫外胶将其水平固定在传感器封装支架的凸台上，确保单模光纤端面端悬浮于空中2-10mm的长度；
(4)利用五维调整架调整石英微泡的俯仰角，保证微泡(轴心)与单模光纤垂直放置，然后沿着垂直于光轴的平面内调节微泡的位置，保证微泡的球心与单模光纤纤芯重合，最后沿着光轴方向调整微泡的位置，保证单模光纤输出的光经过微泡透镜后为准直的平行光；
(5)利用紫外胶将石英微泡透镜两端的毛细石英管固定在传感器封装支架的凹槽中；
(6)在传感器封装支架的表面覆盖一片盖玻片，保护微泡透镜和单模光纤的相对位置不受环境扰动的干扰；
(7)在毛细石英微管两端连接特氟龙管，用于与微流控系统连接，实现对于待测液体的抽取。
本发明基于微泡的透镜效应，实现对于单模光纤输出光斑的准直，当改变微泡内部的溶液浓度时，微泡透镜的焦距发生改变，通过对其输出准直光斑大小的测量，即可测定微泡内部溶液的浓度；该传感器芯片通过改变透镜自身的聚焦性能实现对液体浓度的测量，同时结合微泡的中空结构，使光与物质之间充分相互作用，实现对于微量、痕量液体分析物的检测。传感芯片结构简单，制备方便，且重复利用率高。
本发明还提供上述微泡透镜传感芯片的应用，即用于构建一种液体浓度(如酒精浓度、糖浓度)检测的系统，参见图3所示，该检测系统包括：依次连接的单频激光器13，光纤跳线14，微泡透镜传感芯片15，CCD成像器件16，电脑17，微流控系统18；其中：
所述单频激光器13用于发出单色检测激光；
所述光纤跳线14用于将单频激光器输出的单色激光传输到微泡透镜传感芯片15的单模光纤中，其中光纤跳线14与单模光纤2之间通过光纤法兰连接在一起；
所述微泡透镜传感芯片15中，毛细石英管1的一端与微流控系统18连接，另一端通过特氟龙管与待测分析物连接；单模光纤2端面输出的发散光通过石英微泡透镜1后，被整形成准直的平行光传输到远端的CCD成像器件16；
所述CCD成像器件16接收所述的输出光信号，并将其转换成电信号传输给电脑17；
所述电脑17用于实时显示光斑的大小，并对其光斑大小或光斑像素点进行实时处理分析；
所述微流控系统18包括注射泵、注射器和特氟龙管，用于抽取待测分析物到石英微泡透镜中。
上述检测系统的检测流程为，开启可单频激光器，发出检测单色激光；利用微流控系统(包括注射泵、注射器、特氟龙管)抽取待测分析物进入微泡中，其过程为微流控系统的一端与石英微泡的一端口连接，石英微泡的另一端口通过特氟龙管与装有待测分析物的试管相连；采用CCD成像器件收集经微泡透镜传感芯片输出的准直光斑并将其转化为电信号传输给电脑；利用电脑对光斑的大小或像素点进行统计分析，测量多组标准待测分析物的浓度并拟合出标定曲线，完成液体浓度传感器的传感性能标定。
本发明所实现的技术原理为：石英微泡为球状中空结构，因此当石英微泡内部填充液体时，其有效折射率高于空气，等同于一个球形微透镜；当改变石英微泡内部的液体浓度时，石英微泡透镜的有效折射率发生改变，导致微泡的聚焦性能发生改变，单模光纤端面输出的发散光经过透镜后的准直效果也随之发生改变；其中：所述微泡透镜内部液体浓度为低浓度时，微泡焦距较长，数值孔径小，对入射光的收集能力弱，CCD成像器件探测到的光斑像素点数小；所述微泡透镜内部液体浓度为高浓度时，微泡焦距较短，数值孔径大，对入射光的收集能力强，CCD成像器件探测到的光斑像素点数大；因此，通过检测CCD成像器件所检测的准直光斑像素点数目即可探测石英微泡内部所通入的液体浓度。
本发明具有下述特点：
(1)本发明与传统的液体传感器有重要区别；本发明中基于微泡的透镜效应实现对于液体浓度的传感，不需要复杂且昂贵的激发光(如可调谐激光器)或者探测器(光谱分析仪)，通过探测准直光斑的大小即可检测液体浓度，对光源强度稳定性要求低；由于微泡自身的中空结构，可以灵活的改变微泡内部的液体浓度，同时实现对石英微泡聚焦性能的改变；
(2)本发明与传统的微透镜有重要区别；本发明中的石英微泡透镜是空心结构，而传统的微透镜是实心结构；
(3)本发明与传统的微透镜有重要区别；本发明中的石英微泡透镜是聚焦性能可调谐的透镜，而传统的微透镜大部分聚焦性能不可调谐；
(4)本发明与传统的微透镜有重要区别；本发明中的石英微泡透镜是在毛细石英管上通过加热鼓吹的方式制备，只需要一台光纤熔接机即可，制备方法简单，表面粗糙度低，优于传统的微透镜制备工艺；
(5)本发明提供的微泡透镜自身就是一个具有微流通道的微型透镜，可以同时实现对入射光的汇聚和对液体分析物的传输；
(6)本发明提供的微泡透镜传感芯片集成了微泡透镜和单模光纤，通过微泡透镜对单模光纤输出的发散光进行准直，实现远端对于准直光斑大小的测量；
(7)本发明提供的微泡透镜传感芯片中石英微泡的球心与单模光纤的纤芯垂直对准，两者的相对位置为微泡透镜的焦距，且都通过紫外胶固定在传感器封装支架上，相对位置固定，鲁棒性强；
(8)本发明中提供的传感芯片结构简单，制备方便，且重复利用率高；
(9)本发明中提供的传感芯片检测系统易于搭建，且高度集成，检测方法简单，成本低，便于实际应用。
附图说明
图1(ⅰ)是本发明微泡透镜传感芯片结构图示；图1(ⅱ)是本发明微泡透镜传感芯片的原理图示。
图2是本发明微泡透镜传感芯片的制备流程图示。
图3是本发明微泡透镜传感芯片的检测系统图示。
图4是本发明微泡透镜传感芯片的准直光斑图示。
图5是本发明微泡透镜传感芯片的实测光斑像素点随酒精浓度的变化关系图示。
图6是本发明微泡透镜传感芯片的实际酒精样品测试结果图示。
图中标号：1为石英毛细管；2为单模光纤；3为传感器封装支架；4为紫外胶；5为盖玻片，6为石英微泡；7为毛细石英管的中空通道；8为毛细石英管管壁；9为低浓度液体；10为高浓度液体；11为单模光纤端面；12为CCD成像器件探测端面；13为单频激光器；14为光纤跳线；15为微泡透镜传感芯片；16为CCD成像器件；17为电脑；18为微流控系统。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实例。
实施例1
本实施例中，微泡透镜传感芯片(见图1)，具体包括：一根制备有微泡的毛细石英管、单模光纤、传感器封装支架以及盖玻片；微泡为中空结构，当微泡内部填充液体时，形成球透镜；单模光纤的端面平整，其中单模光纤的一端可与激光器连接，用于将光导入单模光纤中，另一端将光输出并照射在微泡表面；传感器封装支架用玻璃拼接或3D打印制备，用于固定制备有微泡的毛细石英管和单模光纤，用于保证两者的相对位置不会发生偏移；盖玻片用于进一步保护石英微泡和单模光纤不受周围环境的扰动；毛细石英管两端开口，一端通过特氟龙管可与微流控系统连接，另一端通过特氟龙管可与待测分析物连接；石英微泡的直径约为370μm，壁厚为10μm，形状为球状。
本装置中，提供了微泡透镜传感芯片的制备流程(见图2)，包括：
(1)选取一段毛细石英微管，通过熔融鼓吹的方式，在其上面制备形状为球形的微泡，其中微泡的数量为1个；
(2)用玻璃片组装或者用3D打印技术制备传感器封装支架；
(3)将单模光纤的端面清理干净，并利用光纤切割刀将其端面切割平整，然后利用紫外胶将其水平固定在传感器封装支架的凸台上，保证单模光纤端面悬浮于空中2-10mm的长度；
(4)利用五维调整架调整石英微泡的俯仰角，保证微泡与单模光纤垂直放置，然后沿着垂直于光轴的平面内调节微泡的位置，保证微泡的球心与单模光纤纤芯重合，最后沿着光轴方向调整微泡的位置，保证单模光纤输出的光经过微泡透镜后为准直的平行光；
(5)利用紫外胶将石英微泡透镜两端的毛细石英管固定在传感器封装支架的凹槽中；
(6)在传感器封装支架的表面覆盖一片盖玻片，保护微泡透镜和单模光纤的相对位置不受环境扰动的干扰；
(7)在毛细石英微管两端连接特氟龙管，用于与微流控系统连接，实现对于待测液体的抽取。
本装置中，提供了微泡透镜传感芯片的检测方法。将单频输出激光与微泡透镜传感芯片的单模光纤通过光纤法兰连接，调整微泡透镜传感芯片与CCD成像器件的相对位置并保证经微泡透镜输出的光斑成像于CCD成像器件的像素单元中心，然后将二者的相对位置固定；利用注射器和特氟龙管将去离子水通入到石英微泡当中，然后通过电脑显示CCD成像器件检测到的输出光斑，如图4所示。
实施例2
本实施例还提出了一种微泡透镜传感芯片的检测系统，如图3所示。开启可单频激光器，发出单色检测激光；利用微流控系统(包括注射泵、注射器、特氟龙管)抽取待测分析物进入微泡中，其过程为微流控系统的一端与石英微泡的一端口连接，石英微泡的另一端口通过特氟龙管与装有待测分析物的试管相连；采用CCD成像器件收集经微泡透镜传感芯片输出的准直光斑并将其转化为电信号传输给电脑；利用电脑对光斑的大小或像素点进行统计分析，测量多组标准待测分析物的浓度并拟合出标定曲线，完成液体浓度传感器的传感性能标定。
基于上述微泡透镜传感芯片的检测系统且结合实施例1的结构参数，本实施例中进行所述微泡透镜传感芯片的标准酒精溶液浓度测定。实际测试中，通过注射器依次给石英微泡中通入不同浓度的酒精溶液，同步对CCD成像器件收集到的光斑像素点进行计算分析，最终得到如图5中黑色圆圈所示的测试结果。结果表明，随着酒精浓度的增大，由于微泡透镜的聚焦性能增强，对入射光的收集或准直效果进一步增强，最终在CCD成像器件上检测到的光斑像素点随之增加。进一步通过对所测试的数据点进行拟合，得到了图5中灰色的定标拟合曲线。后续实用过程中只需要通过该定标拟合曲线，即可对不同的酒精浓度反演测量。
基于上述酒精浓度定标曲线，本实施例中对任一酒精浓度进行了实际测试，如图6所示。分别利用标准的酒精浓度折光仪和上述微泡透镜传感芯片对任一酒精浓度进行实际检测，检测结果表明通过上述微泡透镜传感芯片检测的酒精浓度接近利用标准的酒精浓度折光仪所测试的结果，检测误差该小于0.2％，证明该方法能够准确、实时的检测任意浓度的酒精样品。
Claims (10)
1.一种液体浓度检测用微泡透镜传感芯片，其特征在于，包括：一根中间制备有微泡(6)的石英毛细管(1)、单模光纤(2)、传感器封装支架(3)以及盖玻片(5)；其中：
所述微泡(6)为中空结构，当微泡内部填充液体时，形成球透镜；
所述单模光纤(2)的端面平整；单模光纤的一端与外接的激光器连接，用于将光导入单模光纤中，另一端将光输出并照射在微泡(6)表面；
所述单模光纤(2)的纤芯垂直对准于石英微泡球透镜的球心，单模光纤(2)输出端面与石英微泡透镜之间的距离为微泡透镜的焦距；
所述微泡(6)与单模光纤(2)成垂直放置，微泡(6)的球心与单模光纤(2)纤芯重合，单模光纤(2)输出的光经过微泡透镜后为准直的平行光；
所述传感器封装支架(3)用玻璃拼接而成或由3D打印制备，用于固定中间制备有微泡(6)的石英毛细管(1)和单模光纤(2)，以确保两者的相对位置不会发生偏移；
所述盖玻片(5)覆盖在传感器封装支架(3)上，用于保护传感器核心器件石英微泡(6)和单模光纤(2)的相对位置不受扰动；
所述石英毛细管(1)两端开口，一端通过特氟龙管与外接的微流控系统连接，另一端通过特氟龙管与待测分析物连接。
2.根据权利要求1所述的液体浓度检测用微泡透镜传感芯片，其特征在于，所述带有微泡(6)的石英毛细管(1)的直径为50-1000μm；所述石英微泡(6)的直径为100-2000μm，壁厚为5-15μm，微泡的形状为球状。
3.根据权利要求1所述的液体浓度检测用微泡透镜传感芯片，其特征在于，所述石英毛细管(1)的材料为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的液体浓度检测用微泡透镜传感芯片，其特征在于，所述单模光纤(2)的纤芯直径为4-10μm；光波长传输范围为380-780nm的可见光；
所述单模光纤(2)纤芯输出的光斑直径为4-10μm的高斯光斑，相对于石英微泡透镜而言是一个点光源。
5.根据权利要求1所述的液体浓度检测用微泡透镜传感芯片，其特征在于，所述传感器封装支架(3)通过一个凸台固定单模光纤(2)，通过一个玻璃凹槽固定石英微泡(6)。
6.根据权利要求1所述的液体浓度检测用微泡透镜传感芯片，其特征在于，所述石英微泡(6)与单模光纤(2)通过紫外胶(4)固定在传感器封装支架(3)上；其中石英微泡(6)两侧的毛细石英管(1)通过紫外胶固定在传感器封装支撑架(3)上的玻璃凹槽中；单模光纤(2)端面端悬空2-10mm，其余部位通过紫外胶固定在传感器封装支撑架(3)的玻璃凸台上。
7.根据权利要求1所述的液体浓度检测用微泡透镜传感芯片，其特征在于，所述石英微泡(6)内部的液体浓度不同时，石英微泡透镜的有效折射率发生改变，导致微泡的聚焦性能发生改变，单模光纤的端面(11)输出的光经过石英微泡透镜后的准直效果发生改变；其中：
所述微泡透镜内部液体浓度为低浓度(9)时，微泡焦距较长，数值孔径小，对入射光的收集能力弱，CCD成像器件(16)探测端面(12)探测到的光斑像素点数小；
所述微泡透镜内部液体浓度为高浓度(10)时，微泡焦距较短，数值孔径大，对入射光的收集能力强，CCD成像器件(16)探测端面(12)探测到的光斑像素点数大；
这里，浓度高、低，焦距长、短，孔径大、小，光斑像素点数大、小，均为相比较而言。
8.一种如权利要求1-7之一所述液体浓度检测用微泡透镜传感芯片的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)选取一段毛细石英微管，通过熔融鼓吹的方式，在其中间部位制备形状为球形的微泡，其中微泡的数量为1个；
(2)用玻璃片组装或者用3D打印技术制备传感器封装支架(3)；
(3)将单模光纤的端面清理干净，并利用光纤切割刀将其端面切割平整，然后利用紫外胶将其水平固定在传感器封装支架的凸台上，确保单模光纤端面悬浮于空中2-10mm的长度；
(4)利用五维调整架调整石英微泡的俯仰角，保证微泡与单模光纤成垂直放置，然后沿着垂直于光轴的平面内调节微泡的位置，保证微泡的球心与单模光纤纤芯重合，最后沿着光轴方向调整微泡的位置，保证单模光纤输出的光经过微泡透镜后为准直的平行光；
(5)利用紫外胶将石英微泡透镜两端的毛细石英管固定在传感器封装支架的凹槽中；
(6)在传感器封装支架的表面覆盖一片盖玻片，保护微泡透镜和单模光纤的相对位置不受环境扰动的干扰；
(7)在毛细石英微管两端连接特氟龙管，用于与微流控系统连接，实现对于待测液体的抽取。
9.一种基于权利要求1-7之一所述液体浓度检测用微泡透镜传感芯片的液体浓度检测的系统，其特征在于，包括：依次连接的单频激光器(13)，光纤跳线(14)，微泡透镜传感芯片(15)，CCD成像器件(16)，电脑(17)，微流控系统(18)；其中：
所述单频激光器(13)用于发出单色检测激光；
所述光纤跳线(14)用于将单频激光器输出的单色激光传输到微泡透镜传感芯片(15)的单模光纤中，其中光纤跳线(14)与单模光纤(2)之间通过光纤法兰连接在一起；
所述微泡透镜传感芯片(15)中，毛细石英管(1)的一端与微流控系统(18)连接，另一端通过特氟龙管与待测分析物连接；单模光纤(2)端面输出的发散光通过石英微泡透镜(1)后，被整形成准直的平行光传输到远端的CCD成像器件(16)；
所述CCD成像器件(16)接收所述的输出光信号，并将其转换成电信号传输给电脑(17)；
所述电脑(17)用于实时显示光斑的大小，并对其光斑大小或光斑像素点进行实时处理分析；
所述微流控系统(18)包括注射泵、注射器和特氟龙管，用于抽取待测分析物到石英微泡透镜中。
10.根据权利要求9所述的液体浓度检测的系统，其特征在于，检测系统的检测流程为：
开启可单频激光器，发出检测单色激光；利用微流控系统，抽取待测分析物进入石英微泡中，其过程为微流控系统的一端与石英微泡的一端口连接，石英微泡的另一端口通过特氟龙管与装有待测分析物的试管相连；采用CCD成像器件收集经石英微泡透镜传感芯片输出的准直光斑，并将其转化为电信号传输给电脑；利用电脑对光斑的大小或像素点进行统计分析，测量多组标准待测分析物的浓度并拟合出标定曲线，完成液体浓度传感器的传感性能标定。
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