[發(fā)明專利]一種基于回音壁模式的微量液體流量計及其制作使用方法

有效

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• 申請日: 2014-11-18
• 公開（公告）號: CN104374440B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 龔元;龔朝陽;張明磊;饒云江
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01F1/68
• 分類號: G01F1/68
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心51203
• 代理人: 李明光

技術(shù)領(lǐng)域

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及其制作和使用方法。

背景技術(shù)

回音壁模式(Whisper gallery 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)點在激光、非線性光學(xué)、量子電動力學(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。現(xiàn)在已經(jīng)有大量基于WGM的傳感器出現(xiàn)。

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時流量測量方法還不成熟。傳統(tǒng)的流量計大多基于力學(xué)原理，如差壓式、轉(zhuǎn)子式、渦輪式等。基于力學(xué)效應(yīng)的流量計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 flow sensor for microfluidic applications[J].Microelectromechanical Systems,Journal of,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(Microfluidic flow rate detection based on integrated optical fiber cantilever[J].Lab on a Chip,2007,7(10):1352-1356.)提出了一種具有寬動態(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

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，該微量液體流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、測量精度高等特點。

本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案：

一種基于回音壁模式的微量液體流量計，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1內(nèi)部且不與毛細(xì)管1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1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1的外管壁接觸且二者相互垂直；

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，液體的流動帶走了熱能；因此，泵浦激光和液體流動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。

所述基于回音壁模式的微量液體流量計的使用方法具體包括以下步驟：

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，從光譜分析儀上5可得到微光纖透射譜中明顯的吸收峰，選定其中一個吸收峰，記錄其光譜位置；

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；

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；

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算此時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流量值。