一种光纤-毛细管光微流体传感器及制造方法和应用

1.本发明涉及一种光纤传感器及制造方法和应用，特别涉及一种光纤-毛细管光微流体传感器及制造方法和应用。


背景技术：

2.目前，光纤传感器根据不同的功能、结构和原理分成各种各样的种类。光微流传感器是近年研究的重点方向，光微流是将光学系统和微流系统有机的结合在一起，向着多功能化和小型化方向发展的新兴领域。更趋切的说，光微流通过将流体作为光波导的一部分提供了一种高效的流体结合方式，流体对光信号具有调制的作用，这样使得微流系统在结构紧密性和可重构性上达到很高的水平。光微流技术通过在微米量级或者亚微米量级操控光与流体，实现光与流体之间的相互作用，将流体材料和固体材料集成于一个光学系统中，是微流技术与光学的完美结合。
3.光微流传感器由于集成光学单元与微流系统与一体，既保留了光学传感器的高敏感特性，又结合了微流系统样品消耗量低的特点，相比于一般的光学传感器而言，结构更紧凑、实用化更强，为芯片量级整合微流系统和光学结构功能化提供了全新的解决方案。符合现在精准医疗和器械小型化的发展趋势，光微流传感器在生物医学检测、药学研究、环境检测等方面具有广泛的发展，尤其是在肿瘤标志物检测方便具有很大的发展潜力。
4.在光微流传感器系统中关键是实现光与物质的相互作用。可以通过两种方式实现：一种是微流体本身就是光的主要传输通道，通过全光场与微流体相互作用；另一种是将微流体与光通路有效结合在一起，实现倏逝场与微流体相互作用。根据这两种作用形式可以将光微流传感器分为两类：液芯式光微流传感器和倏逝场光微流传感器。其中液芯式光微流传感器虽然最大限度的实现光与物质的相互作用，但是在实现工艺上比较困难，损耗也相对较大。倏逝场光微流传感器主要可以分为三大类：微纳光纤型光微流传感器、spr型光微流传感器和谐振型光微流传感器。其中微纳光纤型光微流传感器的原理为光在波导中会发生全反射，使得光沿着波导传输，光在发生全反射的过程中，会有一部分倏逝场渗透到包层中，外界的流体或物质会对光产生一个调制的作用。由于未经任何处理的波导中，这个效果非常的弱，为了实现或增强这种效果，需要将原光纤拉细，使得光的分布渗透出包层，与外界物质相互作用，就可以对光起到调制作用。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了将被测物质注入到石英毛细管中，单模光纤中的光在通过相应部位区域时会耦合至石英毛细管中，并产生干涉，石英毛细管中的物质会改变光的相位特性，并改变干涉条件，进而能够通过干涉实现对毛细管中液体成分的传感，而提供的一种光纤-毛细管光微流体传感器及制造方法和应用。
6.本发明提供的光纤-毛细管光微流体传感器包括有石英光纤和石英毛细管，其中石英光纤和石英毛细管在并列同步高温热熔条件下一体拉制而成，传感器整体结构呈哑铃
型，传感器两个端部的外径大于传感器中间部位的外径，传感器中间部位与传感器的端部之间形成对称的锥形，石英光纤内设置有光路，石英毛细管内设置有微流通道，石英光纤内光路传输的光传输至渐变的锥形区域和均匀的中间部位时会耦合至石英毛细管中的微流通道内，石英光纤内光路传输的光与石英毛细管中微流通道内的物质发生相互作用通过耦合光场的干涉实现对石英毛细管中微流通道内物质的传感。
7.石英光纤和石英毛细管的长度相等，石英光纤和石英毛细管的外径偏差不超过石英光纤直径的
±
25％。
8.石英光纤为单模光纤或多模光纤，石英光纤的直径为50-500微米。
9.石英毛细管有单个内孔或数个内孔，石英毛细管内孔与石英毛细管外轮廓同轴或不同轴；石英毛细管内孔直径d小于石英毛细管外径d，石英毛细管内孔直径d》0.2微米。
10.本发明提供的光纤-毛细管光微流体传感器的制造方法，其方法包括的步骤如下：
11.步骤1、分别去除石英光纤和石英毛细管的涂覆层，将包层外的涂覆层碎屑处理干净；
12.步骤2、将石英光纤和石英毛细管对齐、平行且紧密贴合放置，利用夹具将其固定在拉锥平台上；
13.步骤3、打开氢气火焰，火焰的温度需达到1600-2000℃，提前预热1-2分钟，然后进行拉制直至拉伸至所设计的尺寸后，关闭拉制平台，关闭火焰；
14.步骤4、将拉制好的传感器从平台上取下，由于传感器整体较脆，容易受到损坏，将其封装到芯片中保存，就形成了光纤-毛细管光微流传感器。
15.本发明提供的光纤-毛细管光微流体传感器能够在光纤-毛细管光微流体检测系统中应用。
16.光纤-毛细管光微流体检测系统包括光源、注射泵、光谱仪、储液容器、偏振控制器、偏振镜和传感器，其中光源、传感器、偏振控制器、偏振镜和光谱仪依次连接为一条光路，注射泵、传感器和储液容器依次连接为微流通道，光路和微流通道均在传感器内通过，光路里面通过的光能够在传感器内与微流通道内流动的物质进行耦合。
17.上述的光源、注射泵、光谱仪、储液容器、偏振控制器和偏振镜均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
18.本发明的工作原理：
19.本发明提供的光纤-毛细管光微流体传感器在使用时向石英毛细管中注入被测液体，并使石英光纤的一端接通光源，1550nm的光源顺着传感器的端部通过渐变的锥形区域和中间部位时，在这两个区域中石英光纤中的光会耦合至石英毛细管中，并与石英毛细管中被测的物质相互作用，一部分的光沿着石英毛细管传播，另一部分的光会重新耦合回石英光纤中，沿着石英光纤传播，最后进入其他光学元件中，然后对其经过干涉的光进行分析，研究光的相位特性，最终根据光相位的变化，并改变干涉条件，进而通过干涉实现对石英毛细管中被测物质的传感。
20.如图5所示，为光纤-毛细管光微流体传感器的模场分布图，图中石英光纤和石英毛细管的直径均为3.1μm，即位于传感器色散转折点处的模场分布图，图5(a)和(b)分别为沿x方向偏振的奇模和偶模图。能够明显的观察出奇模和偶模的模场分布存在明显的差异。图中的曲线为模场能量的等值线，等值线越密集表示此处的能量越高，能够看出奇模的能
量向石英毛细管方向扩散，而偶模的能量大多集中在单模光纤中，能够得出传感器中起主要作用的为奇模模式。
21.将一根石英光纤和一根石英毛细管平行放置并固定在一起，经过高温拉制，将其保存于芯片中，制成传感器。并把光源、传感器、偏振控制器、偏振镜和光谱仪依次连接为一条光路，将注射泵、传感器和储液容器依次连接为一条微流通道，光路和微流通道均在传感器内通过，光路里面通过的光能够在传感器内与微流通道内流动的物质进行耦合。光源输出的光通过传感器后，经过偏振控制器和偏振镜对其输入光进行调节，最后输入到光谱仪中。注射泵将被测物质注入到传感器中，然后从传感器中流出，储存到储液容器中。向注射泵中加入不同折射率的待测样品，将其注入到传感器中，根据光谱仪的光谱变化，实现对其内部环境折射率变化的检测。
22.传感器对被测液体分析物折射率灵敏度的检测；通过混合不同比例的被测溶液，分别取被测液体折射率为1.3263、1.3264、1.3265、1.3266和1.3267共五种折射率不同的被测溶液。进行测量时，其他条件都不发生变化，会发现光谱存在明显的变化。
23.如图4所示，为本发明提供的光纤-毛细管光微流传感器对内部被测溶液折射率变化的光谱图及透射倾角相对于内部被测溶液折射率的波长漂移图(光纤直径为3.1μm，耦合长度为6.5mm，波长为1550nm)。图4(a)中能够观察到随着内部被测溶液折射率的增加，两侧的干扰峰逐渐向色散转折点靠近，并且在靠近的同时，一个波峰逐渐消失，最接近色散转折点两侧的波谷逐渐合并成一个大的波谷。图4(b)描述在光谱中所选取的位置处，波长和内部被测溶液折射率之间的关系，可以观察到此时出现了两种情况，a点出随着内部被测溶液折射率的增加，波长逐渐减小，其余四点都是随着内部被测溶液折射率的增加，波长逐渐增加，其中b点增加明显其余三点增加缓慢。由此可以观察出，不同的内部被测溶液折射率，表现出的光谱也是不相同的。光谱图随着内部被测溶液的不同，不断地发生着变化。
24.本发明的有益效果：
25.本发明提供的传感器将石英光纤和石英毛细管并排一体成型，进行对石英毛细管中被测物质传感的新型结构，该结构较为简单，工业中容易实现，制造难度小。石英毛细管中能够提供相对独立的微流通道，样品不易受到污染，样品的消耗量小。经过试验表明，此结构在制造的过程中工艺要求不高，传感器的特性能够保持一致。传感器有三个色散转折点，此点传感器的折射率灵敏度将会趋于无穷大，能够利用这些点进一步改善传感器的特性。通过石英光纤和石英毛细管同步熔融拉锥技术实现了光纤-毛细管光微流体传感器的制造，该制造方式商业化程度高，技术较娴熟，成本低廉。
附图说明
26.图1为本发明所述的光纤-毛细管光微流体传感器整体结构示意图。
27.图2为本发明所述的光纤-毛细管光微流体传感器断面结构示意图。
28.图3为本发明所述的光纤-毛细管光微流体检测系统结构示意图。
29.图4为本发明所述的被检测液体折射率变化的光谱图示意图。
30.图5为本发明所述的光纤-毛细管光微流体传感器的模场分布图。
31.上图中的标注如下：
32.1、传感器2、石英光纤3、石英毛细管4、光路5、微流通道
33.6、光源7、注射泵8、光谱仪9、储液容器10、偏振控制器
34.11、偏振镜。
具体实施方式
35.请参阅图1至图5所示：
36.本发明提供的光纤-毛细管光微流体传感器包括有石英光纤2和石英毛细管3，其中石英光纤2和石英毛细管3在并列同步高温热熔条件下一体拉制而成，传感器1整体结构呈哑铃型，传感器1两个端部的外径大于传感器1中间部位的外径，传感器1中间部位与传感器1的端部之间形成对称的锥形，石英光纤2内设置有光路4，石英毛细管3内设置有微流通道5，石英光纤2内光路4传输的光传输至渐变的锥形区域和均匀的中间部位时会耦合至石英毛细管3中的微流通道5内，石英光纤2内光路4传输的光与石英毛细管3中微流通道5内的物质发生相互作用通过耦合光场的干涉实现对石英毛细管3中微流通道5内物质的传感。
37.石英光纤2和石英毛细管3的长度相等，石英光纤2和石英毛细管3的外径偏差不超过石英光纤2直径的
±
25％。
38.石英光纤2为单模光纤或多模光纤，石英光纤2的直径为50-500微米。
39.石英毛细管3有单个内孔或数个内孔，石英毛细管3内孔与石英毛细管3外轮廓同轴或不同轴；石英毛细管3内孔直径d小于石英毛细管3外径d，石英毛细管3内孔直径d》0.2微米。
40.本发明提供的光纤-毛细管光微流体传感器的制造方法，其方法包括的步骤如下：
41.步骤1、分别去除石英光纤2和石英毛细管3的涂覆层，将包层外的涂覆层碎屑处理干净；
42.步骤2、将石英光纤2和石英毛细管3对齐、平行且紧密贴合放置，利用夹具将其固定在拉锥平台上；
43.步骤3、打开氢气火焰，火焰的温度需达到1600-2000℃，提前预热1-2分钟，然后进行拉制直至拉伸至所设计的尺寸后，关闭拉制平台，关闭火焰；
44.步骤4、将拉制好的传感器1从平台上取下，由于传感器1整体较脆，容易受到损坏，将其封装到芯片中保存，就形成了光纤-毛细管光微流传感器。
45.本发明提供的光纤-毛细管光微流体传感器能够在光纤-毛细管光微流体检测系统中应用。
46.光纤-毛细管光微流体检测系统包括光源6、注射泵7、光谱仪8、储液容器9、偏振控制器10、偏振镜11和传感器1，其中光源6、传感器1、偏振控制器10、偏振镜11和光谱仪8依次连接为一条光路4，注射泵7、传感器1和储液容器9依次连接为微流通道5，光路4和微流通道5均在传感器1内通过，光路4里面通过的光能够在传感器1内与微流通道5内流动的物质进行耦合。
47.上述的光源6、注射泵7、光谱仪8、储液容器9、偏振控制器10和偏振镜11均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
48.本发明的工作原理：
49.本发明提供的光纤-毛细管光微流体传感器在使用时向石英毛细管3中注入被测液体，并使石英光纤2的一端接通光源，1550nm的光源顺着传感器1的端部通过渐变的锥形
区域和中间部位时，在这两个区域中石英光纤2中的光会耦合至石英毛细管3中，并与石英毛细管3中被测的物质相互作用，一部分的光沿着石英毛细管3传播，另一部分的光会重新耦合回石英光纤2中，沿着石英光纤2传播，最后进入其他光学元件中，然后对其经过干涉的光进行分析，研究光的相位特性，最终根据光相位的变化，并改变干涉条件，进而通过干涉实现对石英毛细管3中被测物质的传感。
50.如图5所示，为光纤-毛细管光微流体传感器的模场分布图，图中石英光纤2和石英毛细管3的直径均为3.1μm，即位于传感器1色散转折点处的模场分布图，图5(a)和(b)分别为沿x方向偏振的奇模和偶模图。能够明显的观察出奇模和偶模的模场分布存在明显的差异。图中的曲线为模场能量的等值线，等值线越密集表示此处的能量越高，能够看出奇模的能量向石英毛细管3方向扩散，而偶模的能量大多集中在单模光纤中，能够得出传感器1中起主要作用的为奇模模式。
51.将一根石英光纤2和一根石英毛细管3平行放置并固定在一起，经过高温拉制，将其保存于芯片中，制成传感器1。并把光源6、传感器1、偏振控制器10、偏振镜11和光谱仪8依次连接为一条光路4，将注射泵7、传感器1和储液容器9依次连接为一条微流通道5，光路4和微流通道5均在传感器1内通过，光路4里面通过的光能够在传感器1内与微流通道5内流动的物质进行耦合。光源输出的光通过传感器1后，经过偏振控制器10和偏振镜11对其输入光进行调节，最后输入到光谱仪8中。注射泵7将被测物质注入到传感器1中，然后从传感器1中流出，储存到储液容器9中。向注射泵7中加入不同折射率的待测样品，将其注入到传感器1中，根据光谱仪8的光谱变化，实现对其内部环境折射率变化的检测。
52.传感器1对被测液体分析物折射率灵敏度的检测；通过混合不同比例的被测溶液，分别取被测液体折射率为1.3263、1.3264、1.3265、1.3266和1.3267共五种折射率不同的被测溶液。进行测量时，其他条件都不发生变化，会发现光谱存在明显的变化。
53.如图4所示，为本发明提供的光纤-毛细管光微流传感器对内部被测溶液折射率变化的光谱图及透射倾角相对于内部被测溶液折射率的波长漂移图(光纤直径为3.1μm，耦合长度为6.5mm，波长为1550nm)。图4(a)中能够观察到随着内部被测溶液折射率的增加，两侧的干扰峰逐渐向色散转折点靠近，并且在靠近的同时，一个波峰逐渐消失，最接近色散转折点两侧的波谷逐渐合并成一个大的波谷。图4(b)描述在光谱中所选取的位置处，波长和内部被测溶液折射率之间的关系，可以观察到此时出现了两种情况，a点出随着内部被测溶液折射率的增加，波长逐渐减小，其余四点都是随着内部被测溶液折射率的增加，波长逐渐增加，其中b点增加明显其余三点增加缓慢。由此可以观察出，不同的内部被测溶液折射率，表现出的光谱也是不相同的。光谱图随着内部被测溶液的不同，不断地发生着变化。

技术特征：
1.一种光纤-毛细管光微流体传感器，其特征在于：包括有石英光纤和石英毛细管，其中石英光纤和石英毛细管在并列同步高温热熔条件下一体拉制而成，传感器整体结构呈哑铃型，传感器两个端部的外径大于传感器中间部位的外径，传感器中间部位与传感器的端部之间形成对称的锥形，石英光纤内设置有光路，石英毛细管内设置有微流通道，石英光纤内光路传输的光传输至渐变的锥形区域和均匀的中间部位时会耦合至石英毛细管中的微流通道内，石英光纤内光路传输的光与石英毛细管中微流通道内的物质发生相互作用通过耦合光场的干涉实现对石英毛细管中微流通道内物质的传感。2.根据权利要求1所述的一种光纤-毛细管光微流体传感器，其特征在于：所述的石英光纤和石英毛细管的长度相等，石英光纤和石英毛细管的外径偏差不超过石英光纤直径的
±
25％。3.根据权利要求1所述的一种光纤-毛细管光微流体传感器，其特征在于：所述的石英光纤为单模光纤或多模光纤，石英光纤的直径为50-500微米。4.根据权利要求1所述的一种光纤-毛细管光微流体传感器，其特征在于：所述的石英毛细管有单个内孔或数个内孔，石英毛细管内孔与石英毛细管外轮廓同轴或不同轴；石英毛细管内孔直径d小于石英毛细管外径d，石英毛细管内孔直径d>0.2微米。5.一种光纤-毛细管光微流体传感器的制造方法，其特征在于：其方法包括的步骤如下：步骤1、分别去除石英光纤和石英毛细管的涂覆层，将包层外的涂覆层碎屑处理干净；步骤2、将石英光纤和石英毛细管对齐、平行且紧密贴合放置，利用夹具将其固定在拉锥平台上；步骤3、打开氢气火焰，火焰的温度需达到1600-2000℃，提前预热1-2分钟，然后进行拉制直至拉伸至所设计的尺寸后，关闭拉制平台，关闭火焰；步骤4、将拉制好的传感器从平台上取下，由于传感器整体较脆，容易受到损坏，将其封装到芯片中保存，就形成了光纤-毛细管光微流传感器。6.一种光纤-毛细管光微流体传感器在光纤-毛细管光微流体检测系统中的应用。7.根据权利要求6所述的一种光纤-毛细管光微流体传感器在光纤-毛细管光微流体检测系统中的应用，其特征在于：所述的光纤-毛细管光微流体检测系统包括光源、注射泵、光谱仪、储液容器、偏振控制器、偏振镜和传感器，其中光源、传感器、偏振控制器、偏振镜和光谱仪依次连接为一条光路，注射泵、传感器和储液容器依次连接为微流通道，光路和微流通道均在传感器内通过，光路里面通过的光能够在传感器内与微流通道内流动的物质进行耦合。

技术总结
本发明公开了一种光纤-毛细管光微流体传感器及制造方法和应用，传感器包括有石英光纤和石英毛细管，其中石英光纤和石英毛细管在并列同步高温热熔条件下一体拉制而成，传感器整体结构呈哑铃型，传感器两个端部的外径大于传感器中间部位的外径，传感器中间部位与传感器的端部之间形成对称的锥形；传感器制作方法为：步骤1、将包层外的涂覆层碎屑处理干净；步骤2、利用夹具将其固定在拉锥平台上；步骤3、然后进行拉制直至拉伸至所设计的尺寸后，关闭拉制平台，关闭火焰；步骤4、形成了光纤-毛细管光微流传感器。光微流体传感器能够在光纤-毛细管光微流体检测系统中应用。有益效果：结构较为简单，工业中容易实现，制造难度小。制造难度小。制造难度小。


技术研发人员：范建华 张泰毫 李凯伟 王璐 夏杨 刘泽
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/25