一種基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)及其制作使用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于回音壁模式的液體微量流量計(jì)及其制作使用方法，屬于傳感【技術(shù)領(lǐng)域】。該液體微量流量計(jì)包括毛細(xì)管、微光纖、三維位移臺、光纖錐、掃描激光器、光譜分析儀和泵浦激光器。毛細(xì)管既充當(dāng)液體流通通道又能激發(fā)回音壁模式；微光纖處于毛細(xì)玻璃管垂直方向，用于回音壁模式的激發(fā)和收集；光纖錐伸入毛線管內(nèi)部可對液體加熱，具有加熱效果明顯，體積小的特點(diǎn)；三維位移臺可用于調(diào)節(jié)微光纖和光纖錐相對于毛細(xì)玻璃管的相對位置。本發(fā)明提供的液體微量流量計(jì)操作簡單，成本低廉，測量精度高，適用于微流控芯片內(nèi)部的實(shí)時(shí)流量測量。
【專利說明】一種基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)及其制作使用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)及其制作和使用方法。

【背景技術(shù)】
[0002]回音壁模式(Whispergallery mode, WGM)最初是在 19 世紀(jì)由 Lord Rayleigh 為解釋聲音在回音壁中的傳播現(xiàn)象而提出的。光學(xué)微腔中的回音壁模式類似于聲學(xué)中的回音壁模式，從幾何光學(xué)的角度看其基本原理是光學(xué)微腔和周圍介質(zhì)的折射率差異引起光的全內(nèi)反射而使得光可以幾乎無損耗地在光學(xué)微腔內(nèi)存在；從波動(dòng)光學(xué)的角度來看WGM模式就是光在微腔內(nèi)的干涉現(xiàn)象。滿足干涉條件的光波模式被限制到微腔內(nèi)部，從而在光譜上產(chǎn)生一個(gè)吸收峰。由于回音壁模式具有Q值高，模式體積小、體積小等優(yōu)點(diǎn)在激光、非線性光學(xué)、量子電動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域都有諸多應(yīng)用。全反射在微腔和周圍介質(zhì)的界面上會產(chǎn)生大量的疏逝場。這些暴露在微腔外部的疏逝場在受到外界環(huán)境(如生物樣品)的作用下會經(jīng)歷相位變化，從而導(dǎo)致了光譜中干涉峰的漂移。因此WGM特別適合于傳感領(lǐng)域?，F(xiàn)在已經(jīng)有大量基于WGM的傳感器出現(xiàn)。
[0003]生物微流控芯片技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、高通量藥物合成篩選、食品衛(wèi)生和環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。然而可用于微流控芯片的實(shí)時(shí)流量測量方法還不成熟。傳統(tǒng)的流量計(jì)大多基于力學(xué)原理，如差壓式、轉(zhuǎn)子式、渦輪式等?；诹W(xué)效應(yīng)的流量計(jì)在大流量情形下是非常適合的，但是很難應(yīng)用于微量流量的測量。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)為微量流量測量提供了一種解決方案，如Czaplewski D.A等(A micromechanical flowsensor for microfluidic applicat1ns[J].Microelectromechanical Systems, Journalof, 2004, 13(4): 576-585.)提出了一種通過測量微機(jī)械板在流體沖擊下的偏轉(zhuǎn)來測量流速的方法，該方法在微流芯片的流速測量中表現(xiàn)出了比較良好的性能；但是，該方法的微機(jī)械結(jié)構(gòu)制作比較復(fù)雜，無疑增加了制作成本。另外Lien V等(Microfluidicflow rate detect1n based on integrated optical fiber cantilever[J].Lab on aChip, 2007,7(10):1352-1356.)提出了一種具有寬動(dòng)態(tài)范圍的流量測量方法，但是其強(qiáng)度解調(diào)方式限制了其測量精度和靈敏度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對【背景技術(shù)】中提到的缺陷，提供一種基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)，該微量液體流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、測量精度高等特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種基于回音壁模式的微量液體流量計(jì),其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示,包括毛細(xì)管1、微光纖2、光纖錐3、掃描激光器4、光譜分析儀5、泵浦激光器6，光纖錐3的錐尖伸入毛細(xì)管I內(nèi)部且不與毛細(xì)管I的內(nèi)壁接觸，光纖錐3的另一端與泵浦激光器6相連，毛細(xì)管I的遠(yuǎn)離光纖錐3的一端是待測液體流入端；所述微光纖2的兩端分別與掃描激光器4和光譜分析儀5相連；所述微光纖2與毛細(xì)管I的外管壁接觸且二者相互垂直；
[0007]由泵浦激光器6發(fā)出的激光能量經(jīng)由光纖錐3被待測液體吸收并轉(zhuǎn)換為熱能，同時(shí)，液體的流動(dòng)帶走了熱能；因此，泵浦激光和液體流動(dòng)的綜合作用改變了液體溫度，進(jìn)而改變液體的折射率，結(jié)合所述回音壁模式的原理，液體折射率的改變將導(dǎo)致微光纖2中激光波長的漂移，故通過檢測微光纖2中激光的波長漂移情況就可得到液體流量。
[0008]所述基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)的使用方法具體包括以下步驟:
[0009]步驟一:打開掃描激光器4和光譜分析儀5,泵浦激光器6處于關(guān)閉狀態(tài)；微量液體以指定流量流經(jīng)毛細(xì)管1，從光譜分析儀上5可得到微光纖透射譜中明顯的吸收峰，選定其中一個(gè)吸收峰，記錄其光譜位置；
[0010]步驟二:打開泵浦激光器6，記錄光譜分析儀上5上步驟一選定的吸收峰目前的光譜位置，計(jì)算該吸收峰在泵浦激光器6由關(guān)閉轉(zhuǎn)向接通后的光譜漂移量；
[0011]步驟三:指定微量液體以不同的流速流經(jīng)毛細(xì)玻璃管1，并按照步驟一與步驟二的處理過程得到該液體在不同流量時(shí)同一吸收峰的光譜漂移量，由此得到如圖3所示的微量液體流量與所述吸收峰的光譜漂移量之間的關(guān)系曲線；
[0012]步驟四:步驟一至步驟三完成了對待測微量液體的流量的標(biāo)定；針對要測量其流量的微量液體，按照步驟一和步驟二的方法計(jì)算此時(shí)同一吸收峰的光譜漂移量，在步驟三所得的該液體的流量與所述吸收峰的光譜漂移量的關(guān)系曲線上找出與本步驟所得光譜漂移量相應(yīng)的液體流量值，該液體流量值即為微量液體的瞬時(shí)流量值。
[0013]本發(fā)明還提供所述基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)的制作方法，具體包括以下步驟:
[0014]步驟一:采用化學(xué)腐蝕的方法將毛細(xì)管壁厚度腐蝕至4?11 μ m，得到可激發(fā)回音壁模式的毛細(xì)管1，將其固定于載物平臺10上；
[0015]步驟二:采用熔融拉錐的方法將普通單模光纖拉至直徑為3 μ m的微光纖2，并將微光纖2固定于三維位移平臺7、8上；
[0016]步驟三:采用熔融拉錐的方法將普通單模光纖拉至直徑為10?20 μ m的光纖錐3，并將其固定于三維位移平臺9上；
[0017]步驟四:在顯微鏡下將光纖錐3的錐尖伸入毛細(xì)管I內(nèi)且不與毛細(xì)管I的內(nèi)壁接觸；
[0018]步驟五:調(diào)節(jié)三維位移平臺7、8使微光纖2移動(dòng)至使其外壁與毛細(xì)管I外壁以垂直方式相接觸。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
[0020]1.本發(fā)明利用回音壁模式對流速大小進(jìn)行測量，可提高流速測量的精度；
[0021]2.本發(fā)明利用光纖錐對毛細(xì)管內(nèi)的液體加熱大大縮小了系統(tǒng)的體積，更利于系統(tǒng)的集成；
[0022]3.本發(fā)明提供的流量測量方法精度高，操作簡單，成本低廉，可以大批量制作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明提供的微量液體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明提供的微量液體流量計(jì)中毛細(xì)管、微光纖和光纖錐部分的截面圖；
[0025]圖3為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的微量液體流量計(jì)提供的波長漂移量和流速的關(guān)系曲線；
[0026]其中，1:毛細(xì)管，2:微光纖，3:光纖錐，4:掃描激光器，5:光譜分析儀，6:泵浦激光器，7、8、9:三維位移臺，10:載物平臺，11:單模光纖。

【具體實(shí)施方式】
[0027]本實(shí)施方式以測量微量水的流量為例，提供一種基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)及其制作和使用方法。
[0028]本實(shí)施方式提出的微量液體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示,包括毛細(xì)管1、微光纖2、光纖錐3、掃描激光器4、光譜分析儀5、泵浦激光器6，光纖錐2的錐尖伸入毛細(xì)管I內(nèi)部且其不與毛細(xì)管I的內(nèi)壁接觸，光纖錐3的另一端與泵浦激光器6相連，毛細(xì)管I的遠(yuǎn)離光纖錐3的一端是液體流入端；所述微光纖2的兩端均通過一段單模光纖11分別與掃描激光器4和光譜分析儀5相連；所述微光纖2與毛細(xì)管I的外管壁接觸且二者相互垂直；所述微光纖2固定于三維位移平臺7、8上，所述毛細(xì)管4固定于顯微鏡載物平臺10上，所述光纖錐3固定于三維位移平臺5上，通過調(diào)整三維位移平臺7、8可調(diào)節(jié)所述微光纖2與毛細(xì)管I的相對位置，通過調(diào)整三維位移平臺9可調(diào)節(jié)所述光纖錐3深入至毛細(xì)管I的深度。
[0029]本實(shí)施方式所述基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)的制作方法具體包括以下步驟:
[0030]步驟1:采用化學(xué)腐蝕的方法將毛細(xì)管壁厚度腐蝕至4?11 μ m，得到可激發(fā)回音壁模式的毛細(xì)管1，將其固定于顯微鏡載物平臺上；毛細(xì)管I的具體制作方法如下:取長度為2cm的毛細(xì)管，其內(nèi)、外徑分別為100 μ m、170 μ m，用棉擦拭毛細(xì)管至顯微鏡下觀察表面無污潰；將毛線管用紫外膠固定于載玻片上，毛細(xì)管兩端接內(nèi)、外徑分別為0.5mm和0.7mm的塑料軟管，毛細(xì)管和塑料軟管之間的空隙用紫外膠填充；將毛細(xì)管一端的塑料軟管端接一個(gè)裝有30ml、質(zhì)量比5%的氫氟酸溶液的注射器，毛細(xì)管另一端的塑料軟管浸入裝有碳酸鈣溶液的燒杯內(nèi)；設(shè)置微量進(jìn)樣泵速率為20μ 1/min，啟動(dòng)微量進(jìn)樣泵；最后等待約11個(gè)小時(shí)后通入清水清洗可得到壁厚約為10 μ m的毛細(xì)管，然后將毛細(xì)管從中間折斷待用；可通過適當(dāng)延長腐蝕時(shí)間進(jìn)一步減小毛細(xì)管壁的厚度；
[0031]步驟2:采用熔融拉錐的方法將普通單模光纖拉至直徑為3 μ m的微光纖2，并將微光纖2固定于三維位移平臺7、8上，同時(shí),微光纖2的兩端通過單模光纖11分別于掃描激光器5和光譜分析儀6連接；微光纖2的具體制作步驟如下:取一段長度為50cm的普通單模光纖，將其從中間區(qū)域的涂覆層剝?nèi)?，剝?nèi)ネ扛矊訁^(qū)域的長度為2?3cm，并用脫脂棉擦拭干凈后固定于拉絲裝置上；點(diǎn)燃?xì)錃饣鹧娌⑹够鹧鎰偤媚苁够鹧骓敹说墓饫w發(fā)紅；設(shè)置拉絲速度5mm/s、加速度5mm/s2、拉絲長度2cm后啟動(dòng)拉絲裝置；第一次拉絲完成后將拉絲裝置退回0.5厘米再次設(shè)置好拉絲參數(shù)(速度5mm/s,加速度5mm/s2,拉絲長度2.5cm),再次啟動(dòng)拉絲裝置；二次拉絲過程完成后關(guān)閉火焰，取下成型的微光纖2 ；
[0032]步驟3:采用熔融拉錐的方法將普通單模光纖拉至直徑為10?20 μ m的光纖錐3，并將其固定于三維位移平臺9上；光纖錐3的具體制作方法如下:取一段長度為50cm的普通單模光纖，將其從中間剝?nèi)ネ扛矊樱瑒內(nèi)ネ扛矊訁^(qū)域的長度為2?3cm，并用脫脂棉擦拭干凈固定于拉絲裝置上；其次，點(diǎn)燃?xì)錃饣鹧娌⒒鹧鎰偤媚苁够鹧骓敹说墓饫w發(fā)紅；設(shè)置拉絲速度5mm/s、加速度5mm/s2、拉絲長度2cm后啟動(dòng)拉絲裝置；拉絲完成后取下微光纖，將微光纖拉斷得到光纖錐3 ；
[0033]步驟4:將光纖錐3的錐尖伸入毛細(xì)管I內(nèi)0.5cm處，且錐尖不與毛細(xì)管I的內(nèi)壁接觸；
[0034]步驟5:調(diào)節(jié)三維位移平臺7、8使微光纖2移動(dòng)至其外壁與毛細(xì)管I外壁以垂直方式相接觸，且微光纖2與毛細(xì)管I的接觸點(diǎn)距離光纖錐3的錐尖30 μ m。
[0035]所述基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)的使用方法具體包括以下步驟:
[0036]步驟一:打開掃描激光器4和光譜分析儀5,泵浦激光器6處于關(guān)閉狀態(tài)；微量水以指定流量流經(jīng)毛細(xì)玻璃管1，從光譜分析儀上5可得到微光纖透射譜中明顯的吸收峰，選擇其中一個(gè)吸收峰，記錄其光譜位置；
[0037]步驟二:打開泵浦激光器6，將其功率調(diào)至65mW，記錄光譜分析儀上5上步驟一選用的吸收峰目前的光譜位置，計(jì)算該吸收峰在泵浦激光器6由關(guān)閉轉(zhuǎn)向接通后的光譜漂移量;
[0038]步驟三:指定微量水以不同的流速流經(jīng)毛細(xì)玻璃管1，并按照步驟一與步驟二的處理過程得到該液體在不同流量時(shí)同一吸收峰的光譜漂移量，由此得到如圖3所示的微量水的流量與所述吸收峰的光譜漂移量之間的關(guān)系曲線；
[0039]步驟四:針對要測量其流量的微量水，按照步驟一和步驟二的方法計(jì)算此時(shí)同一吸收峰的光譜漂移量，在步驟三所得的水的流量與所述吸收峰的光譜漂移量的關(guān)系曲線上找出與本步驟所得光譜漂移量相應(yīng)的流量值，該流量值即為微量水的瞬時(shí)流量值。
【權(quán)利要求】
1.一種基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)，包括毛細(xì)管(I)、微光纖(2)、光纖錐(3)、掃描激光器(4)、光譜分析儀(5)、泵浦激光器￠)，其特征在于，所述光纖錐(3)的錐尖伸入毛細(xì)管(I)內(nèi)部且不與毛細(xì)管(I)的內(nèi)壁接觸，光纖錐(3)的另一端與泵浦激光器(6)相連，毛細(xì)管(I)的遠(yuǎn)離光纖錐(3)的一端是待測液體流入端；所述微光纖(2)的兩端分別與掃描激光器(4)和光譜分析儀(5)連接；所述微光纖(2)與毛細(xì)管(I)的外管壁接觸且兩者相互垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)，其特征在于，還包括三維位移平臺(7、8、9)和載物平臺(10);所述微光纖(2)固定于三維位移平臺(7、8)上，所述毛細(xì)管(I)固定于載物平臺(10)上，所述光纖錐(3)固定于三維位移平臺(9)上；通過調(diào)整三維位移平臺(7、8)可調(diào)節(jié)所述微光纖(2)與毛細(xì)管(I)的相對位置，通過調(diào)整三維位移平臺(9)可調(diào)節(jié)所述光纖錐(3)深入至毛細(xì)管(I)的深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)，其特征在于，所述光纖錐⑶的錐尖伸入至毛細(xì)管⑴內(nèi)0.5cm處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)，其特征在于，所述微光纖(2)與毛細(xì)管(I)外壁的接觸點(diǎn)距離所述光纖錐(3)的錐尖30 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)，其特征在于，所述毛細(xì)管⑴的管壁厚度為4?11 μ m。
6.如權(quán)利要求1所述的基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)的使用方法，包括以下步驟: 步驟一:打開掃描激光器(4)和光譜分析儀(5)，泵浦激光器(6)處于關(guān)閉狀態(tài)；微量液體以指定流量流經(jīng)毛細(xì)管(1)，從光譜分析儀(5)上可得到微光纖透射譜中明顯的吸收峰，選定其中一個(gè)吸收峰，記錄其光譜位置； 步驟二:打開泵浦激光器￠)，記錄光譜分析儀(5)上步驟一選定的吸收峰當(dāng)前的光譜位置，計(jì)算該吸收峰在泵浦激光器￠)由關(guān)閉轉(zhuǎn)向接通后的光譜漂移量； 步驟三:指定微量液體以不同的流速流經(jīng)毛細(xì)玻璃管(I)，并按照步驟一與步驟二的處理過程得到該液體在不同流量時(shí)同一吸收峰的光譜漂移量，由此得到微量液體流量與所述吸收峰的光譜漂移量之間的關(guān)系曲線； 步驟四:步驟一至步驟三完成了對待測微量液體流量的標(biāo)定；針對要測量其流量的微量液體，按照步驟一和步驟二的方法計(jì)算當(dāng)前同一吸收峰的光譜漂移量，在步驟三所得的該液體的流量與所述吸收峰的光譜漂移量的關(guān)系曲線上找出與本步驟所得光譜漂移量相應(yīng)的液體流量值，該液體流量值即為微量液體的瞬時(shí)流量值。
7.如權(quán)利要求1所述的基于回音壁模式的微量液體流量計(jì)的制作方法，包括以下步驟: 步驟一:采用化學(xué)腐蝕的方法將毛細(xì)管壁厚度腐蝕至4?Ι?μπι，得到可激發(fā)回音壁模式的毛細(xì)管(I)，將其固定于載物平臺(10)上； 步驟二:采用熔融拉錐的方法將普通單模光纖拉至直徑為3 μ m的微光纖(2)，并將微光纖(2)固定于三維位移平臺(7、8)上； 步驟三:采用熔融拉錐的方法將普通單模光纖拉至直徑為10?20 μ m的光纖錐(3)，并將其固定于三維位移平臺(9)上； 步驟四:調(diào)節(jié)三維位移平臺(9)，使光纖錐(3)的錐尖伸入毛細(xì)管(I)內(nèi)且不與毛細(xì)管(I)的內(nèi)壁接觸； 步驟五:調(diào)節(jié)三維位移平臺(7、8)使微光纖(2)移動(dòng)至使其外壁與毛細(xì)管(I)外壁以垂直方式相接觸。
【文檔編號】G01F1/68GK104374440SQ201410658097
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】龔元, 龔朝陽, 張明磊, 饒?jiān)平? 申請人:電子科技大學(xué)