[发明专利]一种用于检测微流体系统中液体折射率的传感器及方法

说明书

技术领域

本发明属于微流体光子学和集成光学领域，涉及光波导器件，具体涉及一种用于检测微流体系统中液体折射率的传感器及方法。

背景技术

微流体系统是将化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块很小的芯片上，由微通道结构构成网络，可以控制流体贯穿整个系统，用以取代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台。微流控芯片(又称为芯片实验室)是微流体系统的典型代表。与传统分析技术相比，微流控芯片技术是一种“微”而“全”的分析技术平台，具有样品需要量小、分离效率高、分析速度快、设备体积小、自动化程度高等优点。

微流体光子学是微流体学和集成光学之间的新兴交叉学科，其微流体光子器件在生物传感、化学分析、药物发现等诸多领域有着巨大应用市场。随着微流体光子学的发展，采用光学手段来分析、检测、诊断微流体系统中样品的需求越来越广泛，其精度越来越高，其检测速度越来越快。常用光学手段有光谱分析、光学成像等。

折射率是光电子器件在设计和制造过程中所必需考虑的基本光学参数，同样，也是实现液体成分检测和化学生物反应过程控制的重要参数。折射率是反映材料的固有特征，它通常会受物理、化学和生物效应的影响而发生变化，所以通过折射率测量来实现对各种化学量的传感无疑是最方便和直接的途径。通常，液体折射率测量方法有光度法、椭圆偏振法、棱镜耦合法等，但是，这些方法存在结构复杂、设计与制作困难、调控稳定性差，易受外部环境因素影响等缺点，且其光束传播方向与微流体平面不在同一平面内，难以实现微流体系统与光学系统的有效集成。基于此，探索具有结构简单、性能好、易于设计与制作的用于微流体系统中的液体折射率传感器具有重要应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于检测微流体系统中液体折射率的传感器及方法，该传感器由偏折弯曲型光波导和微流体通道构成，光束在波导与微流体通道的交界面位置处的发生透射与反射，从而使波导输出端口的光功率发生衰减，利用衰减量计算获得液体折射率。

一种用于检测微流体系统中液体折射率的传感器，包括上基片10、下基片11、包层材料层1、S型偏折波导和微流体通道7；

所述包层材料层1位于在上基片10和下基片11之间；

所述S型偏折波导和微流体通道7位于在所述包层材料层1中；

所述微流体通道上设有流体输入端口8和流体输出端口9；

所述S型偏折波导由芯层材料制成，包括依次相连的光输入直波导2、第一偏向波导3、第二偏向波导4、第三偏向波导5以及光输出直波导6；

其中，所述第一偏向波导的一侧与所述微流体通道7的一侧接触，且第一偏向波导3与光输入直波导2之间的水平夹角为θ，第二偏向波导4和第三偏向波导5分别与光输入直波导2所在水平方向的夹角为2θ和θ；

0<θ<cos^-1(N₁/N₂)

其中，N₁和N₂分别表示TE波在非波导位置区域和波导所在区域的等效折射率；所述非波导位置区域是指不包括S型偏折波导和微流体通道的其他位置区域。

所述的S型偏折波导在芯层材料层中的厚度为d，d的取值范围是0.5-2μm。

所述S型偏折波导上方正中央设置有脊，脊高和脊宽分别为h和w，h的取值范围是0.5-1.5μm，w的取值范围是4-8μm。

所述的S型偏折波导在芯层材料层中的厚度为d、脊高h及脊宽w，可依据实际需要进行设定，不同的结构尺寸，用于测定不同范围的液体折射率。

所述芯层材料和包层材料均为有机聚合物材料。

所述芯层材料为SU-8。

所述包层材料为聚合物材料UV15。

一种用于检测微流体系统中液体折射率的方法，采用所述的用于检测微流体系统中液体折射率的传感器，将被测试液体注入流体输入端口8，被测试液体经微流体通道从流体输出端口9输出；利用光源照射光输入直波导，光信号经第一偏向波导时，在第一偏向波导与微流体通道接触面发生反射与透射，反射光沿S型偏折波导传输直至光输出直波导输出；透射光被微流体通道中的液体吸收；

利用光输出直波导输出的光功率与光输入直波导输入的光功率之比得到的归一化光功率对照折射率标定曲线获得被测液体的折射率；