微流体流速传感芯片、检测系统及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感领域，特别设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)流速传感巧片，检测系统W及检测方法。
【背景技术】
[0002] 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W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。但该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。
[0003] 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。"Microfluidicflowratedetection basedonintegratedopticalfibercantilever"（LienV. ,VollmerF. ,Labona 化ip, 2007, 7 (10) : 1352-1356) -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禪合效率实现流速到光功率的转换。但 该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】
[0004] 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巧片、检测系统 及检测方法。本发明基于光热光纤W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W实现多点准分布式流速监控。
[0005] 本发明的目的是通过W下技术方案来实现的；一种基于微结构相移布拉格光栅的 微流体流速传感巧片，包括基于微结构布拉格光栅的流速传感单元和微流巧片；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烙接第一单模光纤和第二单模光纤，光热光纤经过载氨处 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；所述微流巧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巧片的光纤通 道，微流槽与微流通道对准齐平后用粘胶固定。
[0006] 一种含有上述传感巧片的微流体流速检测系统，还包括累浦光源、探测光源、光纤 环形器、光谱仪W及波分复用器；其中，所述累浦光源与波分复用器的累浦输入端口连接； 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。
[0007] 一种应用上述系统的微流体流速检测方法，包括w下步骤：
[000引 （1)开启累浦激光器，累浦光经由波分复用器进入微流体流速传感巧片的光热光 纤上，光热光纤吸收累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W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；
[0009] (2)微流传感巧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：
[0010]
[0011] 式中，AA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，As 为微结构相移光栅分裂波长，rwf为模式有效折射率，AAW。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。
[0012] 本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0013] 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巧 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。
[0014] 2、本发明中微流槽作为微流通道的一部分，其大小与微流通道相契合，保证了传 感器的加入不会对微流体的流动过程引入干扰。保证了本发明高集成度，强抗干扰性的优 点。
[0015] 3、微结构布拉格光栅反射峰的包络可W进一步作为其他传感参量的解调依据，如 温度等，使得本发明兼具多参量解调的可能性。同时光纤百微米级直径的尺寸，也保证了流 速传感的空间分辨率，可W实现点流速的测量，具备多点准分布式流速检测的能力。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的流速传感单元结构示意图；
[0017] 图2是本发明微流体流速传感巧片装置的结构示意图；
[0018] 图3是利用本发明进行微流体流速检测系统示意图。
【具体实施方式】
[0019] 本发明是基于在光热光纤制备布拉格光栅并在光栅中部刻写微流槽形成微结构 相移光栅的结构。其原理是由于不同流速的流体带走光热光纤微流槽部分的热量不同，弓I 起微结构相移光栅相移量的改变，最终引起相移光栅分裂点波长的漂移。
[0020] 具体来讲，本发明所用的光热光纤是一种巧层渗杂了钻元素的特种光纤，在一定 光谱带宽内（通常为1100-1550nm)对输入光呈现宽谱吸收特性。其吸收的强度取决于渗 杂的浓度，并且吸收过程为无福射跃迁吸收，因此吸收的光能量最终转化成热，引起光纤温 度的升高。通过选择不同吸收系数的光热光纤W及改变累浦激光的功率，可W方便的控 制光纤最终加热的温度。当光热光纤处在微流体环境中时，其最终的能加热到的温度，取 决于光纤和周围流体的动态热平衡。当液体流动时，光纤产生的一部分热量会被带走，在 一定流速下热交换会达到一个新的动态平衡，使得光纤的最终温度有所降低。根据"热线 化ot-wire)"风速仪的热平衡理论，光纤损失的热量与微流体流速的存在下面的关系： [002UQ=(A+B0AT(1)
[0022] 其中，u是微流体流速，AT是光热光纤的温度变化量，A、B和n为经验常数，跟流 体性质和微流槽环境有关。该些参数都可W通过标定后的数据拟合获得。
[0023] 基于该一机理，本发明所用的传感单元采用在光热光纤上制备的相移布拉格光栅 结构。具体的，在光热光纤上刻写好一个布拉格光栅后，在光栅的中间部位利用飞秒激光或 者聚焦离子束曝光技术加工出一个侧方贯通的微流体通道。通道宽度在几十到百微米量 级，深度不超过50微米，W避免外界折射率对光热光纤中基模的影响。由于微流体通道的 存在，使得微流槽处的光纤温度分布发生变化，引起折射率和光栅周期的微扰，等效于在均 匀分布的布拉格光栅中引入了相位突变，因此在该一结构的反射谱中，布拉格反射峰带宽 内会出现一个高消光比的相移分裂点。假设微流槽的宽度为以则产生的相移量口可W表示 为：
[0024]
(2)
[0025] 其中，A为工作波长，n^f为模式有效折射率。其分裂点的波长位置A央于相 移量的大小
[0026]
(3)
[0027]其中，AApc。为所刻写的布拉格光栅的全谱带宽，A1为光栅反射谱短波第一个零 点处波长。当微流体流动引起光纤温度下降时，产生的相移变化量可W表示为：
[002引
(4)
[0029] 其中，^为光纤的热光系数，^为光纤的热膨胀系数，AT为温度变化量。因 dldl 此微流体流动会引起分裂波长的漂移，结合公式（1)，（3)，（4)，漂移量可W表示为流速的函 数：
[0030]
(5)
[0031] 从而流速可W表示为漂移量的函数：
[00对
(6)
[0033] 式中，A A为微结构相移光栅分裂波长的漂移量，L为微流槽的宽度，A,为微结 构相移光栅分裂波长，n^f为模式有效折射率，AAW。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为经验 dlaT 常数，该些参数都可w通过标定后的数据拟合获得。
[0034] 因此，通过检测微结构相移光栅分裂波长