專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的裝置，特別是一種測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置。
背景技術(shù)：
隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光傳感器在溶液濃度和吸收測(cè)量方面的應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。液體、氣體的溫度、吸收、濃度、組分等等特性，都與其折射率息息相關(guān)，上述這些特性發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起其折射率發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)表面等離子探測(cè)技術(shù)、泄露模波導(dǎo)探測(cè)技術(shù)等方法，可以對(duì)折射率的微小變化進(jìn)行高靈敏度的檢測(cè)。這就使得對(duì)液體或氣體的溫度、吸收、濃度、組分等等特性的監(jiān)測(cè)可以轉(zhuǎn)化為對(duì)其折射率的監(jiān)測(cè)，并進(jìn)而可以將折射率的微小變化轉(zhuǎn)化為放大的可被探測(cè)的光信號(hào)變化，從而解讀出待測(cè)液體中的相應(yīng)變化。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專(zhuān)利號(hào)為6903815，名稱(chēng)為用于葡萄糖測(cè)量的光波導(dǎo)傳感器——器件、系統(tǒng)及方法。該技術(shù)所涉及的器件是在左右兩個(gè)耦合光柵之間形成多膜層結(jié)構(gòu)，其中，多膜層結(jié)構(gòu)的第一層為襯底層；第二層為導(dǎo)波層，其折射率高于第一、三層；第三層為生化酶和試劑層，第四為多孔凝膠層；第五層為篩狀導(dǎo)電層(篩狀金屬膜層)。第四和第五層以及器件僅控制待測(cè)溶液中的待測(cè)成分進(jìn)入第三層，并不實(shí)際參與傳感和測(cè)量過(guò)程。第一、二、三層中，第二層的折射率最高，兩邊次之，組成典型的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中，第二層為導(dǎo)波層，第一和第三層分別為上下包覆層。由入射耦合光柵耦合進(jìn)該器件的偏振光在第二層中傳輸，部分滲入第一和第三層。經(jīng)過(guò)該光波導(dǎo)傳輸?shù)墓庑盘?hào)由出射耦合光柵耦合出該器件，并由一個(gè)光強(qiáng)探測(cè)器接收和處理。當(dāng)待測(cè)溶液中待測(cè)成分通過(guò)上述逆電離子滲入系統(tǒng)與第三層相接觸的時(shí)候，將會(huì)與第三層發(fā)生一系列生化反應(yīng)，并改變第三層的折射率，從而導(dǎo)致了該光波導(dǎo)的傳輸特性發(fā)生改變，并進(jìn)一步的引起其中傳輸?shù)墓庑盘?hào)發(fā)生變化。這一變化由出射耦合光柵處放置的光強(qiáng)探測(cè)裝置捕捉到。這樣就實(shí)現(xiàn)了通過(guò)檢測(cè)光信號(hào)來(lái)傳感待測(cè)溶液中葡萄糖濃度變化。但由于在這種結(jié)構(gòu)中，樣本被放置在光波的迅衰場(chǎng)中(第三層)，在這一層里，光波的能量迅速衰減，光波與待測(cè)樣本的相互作用非常有限，這直接導(dǎo)致了這種方法的測(cè)量靈敏度雖然比現(xiàn)有的傳統(tǒng)方法要高一些，但難以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置。使其提出上層襯底-上層金屬膜-樣品腔-下層金屬膜-下層襯底結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中，中間的樣品層折射率最高，上下兩層金屬膜，折射率較低；這樣，就將待測(cè)樣本置于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波層中，極大的提高了測(cè)量的靈敏度。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括激光器、上層襯底、上層金屬膜、樣品腔、下層金屬膜、下層襯底、環(huán)形墊圈、導(dǎo)入導(dǎo)管、導(dǎo)出導(dǎo)管。上層襯底位于頂部，上層金屬膜附著在其下表面上；上層金屬膜之下緊貼著環(huán)形墊圈，環(huán)形墊圈之下緊貼著下層金屬膜，下層金屬膜附著在下層襯底上；上層襯底、上層金屬膜組成的結(jié)合體與下層襯底、下層金屬膜組成的結(jié)合體及兩者之間的環(huán)形墊圈組成三層夾心結(jié)構(gòu)，其中，環(huán)形墊圈位于中間；環(huán)形墊圈內(nèi)部被上層金屬膜和下層金屬膜封閉的部分即為樣品腔；上層金屬膜、樣品腔中的待測(cè)樣本和下層金屬膜組成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，激光器輸出的激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束及聚焦后形成聚焦光束入射到上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，下層襯底和下層金屬膜上開(kāi)有小孔，其中插入導(dǎo)入導(dǎo)管、導(dǎo)出導(dǎo)管，并連通樣品腔；待測(cè)樣本由導(dǎo)入導(dǎo)管導(dǎo)入樣品腔，由導(dǎo)出導(dǎo)管導(dǎo)出樣品腔。
上述裝置中，上下層金屬膜材料選擇銀、金、鋁、銅，要求其在光頻范圍內(nèi)介電常數(shù)實(shí)部εr≤-8，介電常數(shù)虛部εi≤5.0；上層金屬膜的厚度在5nm～70nm之間，下層金屬膜厚度大于10nm；樣品腔的厚度由環(huán)形墊圈決定，在10μm～2mm之間；上層襯底材料為對(duì)于工作波長(zhǎng)透明的介質(zhì)，形狀為棱鏡、透鏡、厚度在1mm以下的平板中的一種；激光器的工作波長(zhǎng)在560nm～1300nm范圍內(nèi)選擇，激光器輸出的激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束及聚焦后形成聚焦光束入射到上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。
該裝置工作時(shí)，上層金屬膜、樣品腔中的待測(cè)樣本和下層金屬膜組成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中，樣品腔中的待測(cè)樣本折射率最高，為導(dǎo)波層，上層金屬膜和下層金屬膜為覆蓋層。在上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的另一側(cè)檢測(cè)反射光斑，通過(guò)監(jiān)測(cè)反射光斑中明暗條紋的變化，并將之與標(biāo)準(zhǔn)樣本的條紋作對(duì)比，就可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中樣品腔中待測(cè)液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率的變化。
在本發(fā)明波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，中間一層材料的折射率最高，兩邊次之，中間的一層叫做導(dǎo)波層，兩邊稱(chēng)為包覆層或覆蓋層。在這種結(jié)構(gòu)中，光波以振蕩場(chǎng)形式在導(dǎo)波層中傳播，光波的能量集中在這里，與導(dǎo)波層介質(zhì)的相互作用也最強(qiáng)。因此，如果將待測(cè)樣本置于波導(dǎo)的導(dǎo)波層中，就能顯著的提高探測(cè)的靈敏度。
激光光束聚焦入射到上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，某個(gè)入射角度的光信號(hào)如果恰能滿(mǎn)足波導(dǎo)耦合條件，就會(huì)被耦合到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，而其他入射角度的光信號(hào)會(huì)被反射出來(lái)。并且，由于波導(dǎo)耦合條件具有準(zhǔn)周期性的特征，這樣，入射光中就會(huì)有一系列角度的光被耦合到波導(dǎo)中，于是就會(huì)形成明暗相間的條紋狀反射光斑。導(dǎo)波層的折射率是決定波導(dǎo)耦合條件的主要因素之一，因此，當(dāng)樣品腔中作為波導(dǎo)層的待測(cè)樣本的折射率發(fā)生微小變化時(shí)，波導(dǎo)耦合條件也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而帶來(lái)反射光斑中明暗條紋的變化。而樣品層的折射率又與樣品腔中待測(cè)液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度和組分等特性密切相關(guān)，這就使得通過(guò)檢測(cè)明暗條紋的變化來(lái)對(duì)上述特性的變化進(jìn)行測(cè)量成為可能。
本發(fā)明中，創(chuàng)造性的將待測(cè)樣本置于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波層中，并通過(guò)檢測(cè)反射光斑中明暗條紋的變化來(lái)對(duì)液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化做出檢測(cè)，顯著的提高了探測(cè)的靈敏度；并且由于這種結(jié)構(gòu)對(duì)于探測(cè)光的偏振特性不敏感，也降低了對(duì)于探測(cè)光路的要求。
本發(fā)明廣泛應(yīng)用于多種液體或氣體的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的測(cè)量，尤其是生化反應(yīng)中實(shí)時(shí)濃度測(cè)量和反應(yīng)過(guò)程檢測(cè)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、低消耗量、快速實(shí)時(shí)的測(cè)量。


圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
如圖1所示，結(jié)合附圖提供以下實(shí)例實(shí)例1上層襯底2位于頂部，選用玻璃平板，折射率為1.5，厚度為0.2mm；上層金屬膜3附著在其下表面上，厚度為5nm，；上層金屬膜之下緊貼著環(huán)形墊圈8，厚度為1mm；環(huán)形墊圈8之下緊貼著下層金屬膜5，下層金屬膜5厚度為10nm附著在下層襯底6上；上層襯底2、上層金屬膜3組成的結(jié)合體與下層襯底6、下層金屬膜5組成的結(jié)合體及兩者之間的環(huán)形墊圈8組成三層夾心結(jié)構(gòu)，其中，環(huán)形墊圈8位于中間；環(huán)形墊圈8內(nèi)部被上層金屬膜3和下層金屬膜5封閉的部分即為樣品腔4；厚度也是1mm；待測(cè)樣本由導(dǎo)入導(dǎo)管9導(dǎo)入樣品腔4，由導(dǎo)出導(dǎo)管10導(dǎo)出樣品腔4。上下層金屬膜材料采用金(560.0nm波長(zhǎng)下ε＝-8.2+i1.79)，樣品采用純水，介電系數(shù)(折射率的平方)為1.77。
該裝置工作時(shí)，上層金屬膜3、樣品腔4中的待測(cè)樣本和下層金屬膜5組成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中，樣品腔4中的待測(cè)樣本折射率最高，為導(dǎo)波層，上層金屬膜3和下層金屬膜4為覆蓋層。
入射的激光束1波長(zhǎng)為560.0nm，擴(kuò)束后聚焦入射到上述結(jié)構(gòu)中，入射角為2°，反射光斑中出現(xiàn)明暗相間的條紋。
在上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的另一側(cè)檢測(cè)反射光斑7，并記錄其明暗條紋移動(dòng)的角度。
根據(jù)計(jì)算表明對(duì)樣品介電系數(shù)(折射率的平方)的檢測(cè)可以達(dá)到2×10-6(明暗條紋移動(dòng)0.632×10-3度)。樣品腔內(nèi)不同樣品介電系數(shù)和明暗條紋的移動(dòng)變化列在下表中。

實(shí)例2上層襯底2位于頂部，選用玻璃平板，折射率為1.5，厚度為1mm；上層金屬膜3附著在其下表面上，厚度為25nm，；上層金屬膜之下緊貼著環(huán)形墊圈8，厚度為2mm；環(huán)形墊圈8之下緊貼著下層金屬膜5，下層金屬膜5厚度為32nm附著在下層襯底6上；上層襯底2、上層金屬膜3組成的結(jié)合體與下層襯底6、下層金屬膜5組成的結(jié)合體及兩者之間的環(huán)形墊圈8組成三層夾心結(jié)構(gòu)，其中，環(huán)形墊圈8位于中間；環(huán)形墊圈8內(nèi)部被上層金屬膜3和下層金屬膜5封閉的部分即為樣品腔4；厚度也是2mm；待測(cè)樣本由導(dǎo)入導(dǎo)管9導(dǎo)入樣品腔4，由導(dǎo)出導(dǎo)管10導(dǎo)出樣品腔4。上下層金屬膜材料采用金(690.0nm波長(zhǎng)下ε＝-14.4+i1.22)，樣品采用空氣，介電系數(shù)(折射率的平方)為1.00。
該裝置工作時(shí)，上層金屬膜3、樣品腔4中的待測(cè)樣本和下層金屬膜5組成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中，樣品腔4中的待測(cè)樣本折射率最高，為導(dǎo)波層，上層金屬膜3和下層金屬膜4為覆蓋層。
入射的激光束1波長(zhǎng)為560.0nm，擴(kuò)束后聚焦入射到上述結(jié)構(gòu)中，入射角為2°，反射光斑中出現(xiàn)明暗相間的條紋。
在上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的另一側(cè)檢測(cè)反射光斑7，并記錄其明暗條紋移動(dòng)的角度。
根據(jù)計(jì)算表明對(duì)樣品介電系數(shù)(折射率的平方)的檢測(cè)可以達(dá)到1×10-6(明暗條紋移動(dòng)0.775×10-3度)。樣品腔內(nèi)不同樣品介電系數(shù)和明暗條紋的移動(dòng)變化列在下表中。

實(shí)例3上層襯底2位于頂部，選用玻璃棱鏡，折射率為1.8；上層金屬膜3附著在其下表面上，厚度為60nm，；上層金屬膜之下緊貼著環(huán)形墊圈8，厚度為10μm；環(huán)形墊圈8之下緊貼著下層金屬膜5，下層金屬膜5厚度為90nm附著在下層襯底6上；上層襯底2、上層金屬膜3組成的結(jié)合體與下層襯底6、下層金屬膜5組成的結(jié)合體及兩者之間的環(huán)形墊圈8組成三層夾心結(jié)構(gòu)，其中，環(huán)形墊圈8位于中間；環(huán)形墊圈8內(nèi)部被上層金屬膜3和下層金屬膜5封閉的部分即為樣品腔4；厚度也是10μm；待測(cè)樣本由導(dǎo)入導(dǎo)管9導(dǎo)入樣品腔4，由導(dǎo)出導(dǎo)管10導(dǎo)出樣品腔4。上下層金屬膜材料采用金(1300.0nm波長(zhǎng)下ε＝-67.9+i6.6)，樣品采用純水，介電系數(shù)(折射率的平方)為1.77。
該裝置工作時(shí)，上層金屬膜3、樣品腔4中的待測(cè)樣本和下層金屬膜5組成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中，樣品腔4中的待測(cè)樣本折射率最高，為導(dǎo)波層，上層金屬膜3和下層金屬膜4為覆蓋層。
入射的激光束1波長(zhǎng)為1300.0nm，擴(kuò)束后聚焦入射到上述結(jié)構(gòu)中，入射角為30°，反射光斑中出現(xiàn)明暗相間的條紋。
在上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的另一側(cè)檢測(cè)反射光斑7，并記錄其明暗條紋移動(dòng)的角度。
根據(jù)計(jì)算表明對(duì)樣品介電系數(shù)(折射率的平方)的檢測(cè)可以達(dá)到2×10-5(明暗條紋移動(dòng)0.402×10-3度)。樣品腔內(nèi)不同樣品介電系數(shù)和明暗條紋的移動(dòng)變化列在下表中。

權(quán)利要求
1.一種測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，包括激光器(1)、上層襯底(2)、上層金屬膜(3)、樣品腔(4)、下層金屬膜(5)、下層襯底(6)、環(huán)形墊圈(8)、導(dǎo)入導(dǎo)管(9)、導(dǎo)出導(dǎo)管(10)，其特征在于，上層襯底(2)位于頂部，上層金屬膜(3)附著在其下表面上，上層金屬膜之下緊貼著環(huán)形墊圈(8)，環(huán)形墊圈(8)之下緊貼著下層金屬膜(5)，下層金屬膜(5)附著在下層襯底(6)上，上層襯底(2)、上層金屬膜(3)組成的結(jié)合體與下層襯底(6)、下層金屬膜(5)組成的結(jié)合體及兩者之間的環(huán)形墊圈(8)組成三層夾心結(jié)構(gòu)，其中，環(huán)形墊圈(8)位于中間，環(huán)形墊圈(8)內(nèi)部被上層金屬膜(3)和下層金屬膜(5)封閉的部分即為樣品腔(4)，上層金屬膜(3)、樣品腔(4)中的待測(cè)樣本和下層金屬膜(5)組成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，激光器(1)輸出的激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束及聚焦后形成聚焦光束入射到該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，下層襯底(6)和下層金屬膜(5)上開(kāi)有小孔，其中插入導(dǎo)入導(dǎo)管(9)、導(dǎo)出導(dǎo)管(10)，連通樣品腔(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，上下層金屬膜(3、5)材料選擇銀、金、鋁、銅，其在光頻范圍內(nèi)介電常數(shù)實(shí)部εr≤-8，介電常數(shù)虛部εi≤5.0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，上層金屬膜(3)的厚度在5nm～70nm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，下層金屬膜(5)厚度大于10nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，樣品腔(4)的厚度由環(huán)形墊圈(8)決定，在10μm～2mm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，上層襯底(2)材料為對(duì)于工作波長(zhǎng)透明的介質(zhì)，形狀為棱鏡、透鏡、厚度在1mm以下平板中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，激光器(1)的工作波長(zhǎng)在560nm～1300nm范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，上層金屬膜(3)、樣品腔(4)中的待測(cè)樣本和下層金屬膜(5)組成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中，樣品腔(4)中的待測(cè)樣本折射率最高，為導(dǎo)波層，上層金屬膜(3)和下層金屬膜(4)為覆蓋層。
全文摘要
一種測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的測(cè)量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，上層襯底位于頂部，上層金屬膜附著在其下表面上；上層金屬膜之下緊貼著環(huán)形墊圈，環(huán)形墊圈之下緊貼著下層金屬膜，下層金屬膜附著在下層襯底上；上層襯底、上層金屬膜組成的結(jié)合體與下層襯底、下層金屬膜組成的結(jié)合體及兩者之間的環(huán)形墊圈組成三層夾心結(jié)構(gòu)，環(huán)形墊圈內(nèi)部被上層金屬膜和下層金屬膜封閉的部分即為樣品腔；上層金屬膜、樣品腔中的待測(cè)樣本和下層金屬膜組成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，激光器輸出的激光束入射到上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，待測(cè)樣本由導(dǎo)入導(dǎo)管導(dǎo)入樣品腔，由導(dǎo)出導(dǎo)管導(dǎo)出樣品腔。本發(fā)明靈敏度高、消耗量低、實(shí)時(shí)測(cè)量，尤其是生化反應(yīng)中的實(shí)時(shí)濃度和反應(yīng)過(guò)程檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK1758049SQ20051003076
公開(kāi)日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2005年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者陳洸, 曹莊琪, 顧江華, 沈啟舜 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)