[发明专利]微流体流速传感芯片、检测系统及检测方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及了一种基于光热光纤微结构相移布拉格光栅的微流体(Microfluidic)流速传感芯片，检测系统以及检测方法。

背景技术

得益于其微米级别的尺寸，微流技术近几十年来在化学分析、生物医学以及细胞生物检测等方面得到巨大的发展和应用。当微流技术应用于小样品的计数、分离或者检测时，如何准确实现微流液体的流速测量是决定结果灵敏度和分辨率的重要一环。常用的微流液体流速检测系统基于微型机电系统(MEMS)，采用悬臂扰度、热电转换等电学及机械的检测方案。但这类检测系统在实现高精度测量的同时也存在高成本、制备复杂的缺点。

由于光纤型微流体传感技术能够在实现低成本的同时具备抗电磁干扰、抗腐蚀、远距离监测等等优点，近年来受到了广泛的关注。“Microfluidic flow rate detection based on integrated optical fiber cantilever”(Lien V.,Vollmer F.,Lab on a Chip,2007,7(10):1352-1356)一文提出了利用光纤悬臂实现微流体流速传感的技术，该方案利用微流体对光纤的弯曲作用改变两对准光纤的耦合效率实现流速到光功率的转换。但这种方案对操作要求高，探测灵敏度低，且悬浮的光纤会给微流体带来一定的干扰和污染。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种微流体流速传感芯片、检测系统及检测方法。本发明基于光热光纤以及微结构相移布拉格光栅结构，将微流通道嵌入传感单元当中，具备集成度高，测量准确，灵敏度及空间分辨率高，抗干扰性强等优点，不仅适于单点流速测量，同样可以实现多点准分布式流速监控。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于微结构相移布拉格光栅的微流体流速传感芯片，包括基于微结构布拉格光栅的流速传感单元和微流芯片；其中，所述基于光热光纤微结构相移布拉格光栅的流速传感单元包括第一单模光纤、光热光纤和第二单模光纤；光热光纤的两端分别熔接第一单模光纤和第二单模光纤，光热光纤经过载氢处理，其上利用相位掩模法制备微结构相移布拉格光栅，在微结构相移布拉格光栅区域中部位置侧面开有一个宽L和深H的微流槽；所述微流芯片中具有相互垂直的光纤通道和微流体通道，光纤通道的长、宽都与第一单模光纤和第二单模光纤的裸纤直径一致，微流通道的大小则与微流槽大小一致；基于微结构布拉格光栅的流速传感单元插入微流芯片的光纤通道，微流槽与微流通道对准齐平后用粘胶固定。

一种含有上述传感芯片的微流体流速检测系统，还包括泵浦光源、探测光源、光纤环形器、光谱仪以及波分复用器；其中，所述泵浦光源与波分复用器的泵浦输入端口连接；波分复用器的公共端口与第一单模光纤相连，探测光源与光纤环形器的输入端口连接，光纤环形器的输出端口与光谱仪相连，光纤环形器的反射端口与波分复用器的信号输入端口连接。

一种应用上述系统的微流体流速检测方法，包括以下步骤：

(1)开启泵浦激光器，泵浦光经由波分复用器进入微流体流速传感芯片的光热光纤上，光热光纤吸收泵浦光发热使得微结构相移布拉格光栅温度上升并最终稳定后，开启光谱仪以及探测光源，探测光经由光纤环形器、波分复用器、输入单模光纤进入微结构相移布拉格光栅；微结构相移布拉格光栅的反射谱信号经波分复用器、光纤环形器传输到光谱仪内；

(2)微流传感芯片的微流通道内通入待测微流体，由于微流体的流动带走微结构相移布拉格光栅的微流槽内的一部分热量，使得光纤微流槽区域温度下降，通过热光效应及热膨胀效应引起了微结构相移布拉格光栅的相移量的变化，在光谱仪上表现为反射峰内分裂波长的漂移；根据光谱仪上对该分裂波长的漂移量的监测，通过下式即可得到微流体的流速大小：

式中，Δλ为微结构相移布拉格光栅的分裂波长的漂移量，L为微流槽的宽度，λ_S为微结构相移光栅分裂波长，n_eff为模式有效折射率，Δλ_FBG为所刻写的布拉格光栅的全谱带宽，为光纤的热光系数，为光纤的热膨胀系数，Q为光纤损失的热量，A、B和n为参数。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明制备的微结构相移布拉格光栅上微流槽的存在大大减小了光热光纤芯层(导光部分)与微流体的距离，增加了光纤于外界的热交换能力进而大幅提高了测量的灵敏度。同时，微结构相移布拉格光栅反射峰高精细度的分裂光谱，也保证了本发明具备高分辨率的优点。