一種基于光學(xué)諧振腔的微粒粒度檢測(cè)傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于光學(xué)諧振腔的微粒粒度檢測(cè)傳感器，其特征是：光學(xué)諧振腔采用由介質(zhì)膜布拉格反射鏡(DBR)構(gòu)成的Fabry-Pérot腔；由于諧振腔的諧振效應(yīng)使得腔內(nèi)光強(qiáng)度得到大幅提高，增強(qiáng)了腔內(nèi)顆粒對(duì)光的散射效應(yīng)；同時(shí)，由于DBR的反射率對(duì)角度敏感，當(dāng)入射角超過(guò)特定閾值時(shí)，DBR的反射率急劇降低，因此散射角度超過(guò)特定閾值的散射光可以從諧振腔內(nèi)有效導(dǎo)出、并被探測(cè)。本發(fā)明的傳感器，既能增強(qiáng)顆粒對(duì)光的散射效應(yīng)，又能有效導(dǎo)出散射光，具有靈敏度高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種基于光學(xué)諧振腔的微粒粒度檢測(cè)傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)氣體或液體中微粒的濃度和尺寸的傳感器，可應(yīng)用于空氣中霧霾檢測(cè)、以及水中微生物檢測(cè)等環(huán)保和生化分析領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]微納顆粒物檢測(cè)在環(huán)境保護(hù)和生化分析等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，例如:霧霾污染就是由大氣中懸浮的微納顆粒引起；微納尺度的浮游植物會(huì)影響海水的水質(zhì)(B1geosciences, 7，3239-3257，2010)。目前，檢測(cè)氣體或液體中懸浮微納顆粒物的主要方法有:沉降法、激光法、篩分法、圖像法和電阻法等。其中激光檢測(cè)具有快速便捷的特點(diǎn)，其測(cè)試原理是:激光照射到懸浮顆粒后，由于不同粒徑的顆粒對(duì)光的散射角不同(如圖1)，因此對(duì)散射光的強(qiáng)度分布進(jìn)行分析就可獲知顆粒的粒度分布(C.F.Bohren andD.R.Huffman, “Absorpt1n and scattering of light by small particles”，Johnffiley&Sons, New York,1983)。
[0003]為了提高激光檢測(cè)精度，需要增強(qiáng)光與顆粒的相互作用，從而增強(qiáng)散射效應(yīng)。對(duì)于光學(xué)諧振腔，由于腔內(nèi)的諧振效應(yīng)使得光強(qiáng)度得到大幅提高，可以增強(qiáng)了腔內(nèi)顆粒對(duì)光的散射效應(yīng)。但是，面臨的問(wèn)題是:諧振腔對(duì)光有約束效應(yīng)，如何將散射光從諧振腔內(nèi)部導(dǎo)出？
[0004]綜上所述，如何設(shè)計(jì)基于光學(xué)諧振腔的顆粒檢測(cè)傳感器，使得既能提高光散射效應(yīng)，又能有效導(dǎo)出散射光？是本發(fā)明的創(chuàng)研動(dòng)機(jī)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決上述問(wèn)題，提出“一種基于光學(xué)諧振腔的微粒粒度檢測(cè)傳感器”，其中光學(xué)諧振腔采用由介質(zhì)膜布拉格反射鏡(DBR)構(gòu)成的Fabry-P6rot腔；由于DBR的反射率對(duì)角度敏感，當(dāng)入射角超過(guò)特定閾值時(shí)，DBR的反射率急劇降低，因此散射角度超過(guò)特定閾值的散射光可以從諧振腔內(nèi)有效導(dǎo)出、并被探測(cè)。本發(fā)明的傳感器具有靈敏度高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
[0006]發(fā)明人對(duì)光學(xué)諧振腔以及DBR的特性有著深入的研究(Applied Optics, vol.45,PP.8448-8453,2006)，從而啟發(fā)了本發(fā)明的產(chǎn)生。本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)如圖2或圖3所示，傳感器由Fabry-P6rot腔、透鏡和光電探測(cè)部分組成。
[0007]所述的微納顆粒檢測(cè)傳感器，其檢測(cè)過(guò)程可按以下步驟實(shí)現(xiàn)(圖2或圖3):①激光入射到Fabry-P6r0t腔上，并進(jìn)入腔內(nèi)獲得諧振增強(qiáng)液體或氣體樣品進(jìn)入Fabry-Perot腔；③樣品中的顆粒對(duì)腔內(nèi)的激光進(jìn)行散射散射光的散射角度超過(guò)特定閾值時(shí)，散射光從腔內(nèi)導(dǎo)出散射光被光電探測(cè)。
[0008]所述的Fabry_P6rot腔,可以集成在微流控芯片上(Appl.Phys.Lett., vol.102,pp.163701,2013)，從而減小體積。
[0009]所述的Fabry_P6rot腔，由兩個(gè)平行排列的布拉格反射鏡構(gòu)成(圖4)，其中的布拉格反射鏡由不同折射率的薄膜交替堆疊而成。
[0010]所述的入射角的特定閾值，具有如下特征:當(dāng)入射角小于特定閾值，布拉格反射鏡能有效反射光波；當(dāng)入射角大于特定閾值，布拉格反射鏡對(duì)光波的反射率急劇下降，喪失反射鏡功能(圖5)。
[0011]所述的布拉格反射鏡，可以選擇不同的薄膜材料組合，從而調(diào)節(jié)不同薄膜材料之間的折射率差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定閾值的調(diào)節(jié)。
[0012]所述的布拉格反射鏡，可以通過(guò)濺射、蒸發(fā)或生長(zhǎng)的方法在襯底上沉積薄膜而成，其中的薄膜材料優(yōu)先采用Si/Si02、Ti02/Si02和GaAs/AlGaAs。
[0013]所述的光散射效應(yīng)，具有前向散射和后向散射兩種形式，相應(yīng)的透鏡和光電探測(cè)器需要放置在Fabry-P6r0t腔的后端(圖2)或前端(圖3)。
[0014]所述的光電探測(cè)，可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn):①采用電荷耦合元件(CCD)陣列，可以對(duì)散射光的強(qiáng)分布直接成像；②采用光電探測(cè)器，需要轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)探測(cè)器的位置，從而獲得散射光的空間光強(qiáng)分布。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]附圖，其被結(jié)合入并成為本說(shuō)明書(shū)的一部分，示范了本發(fā)明的實(shí)施例，并與前述的綜述和下面的詳細(xì)描述一起解釋本發(fā)明的原理。
[0016]圖1為顆粒對(duì)光的散射示意圖。
[0017]圖2為探測(cè)前向散射的傳感器結(jié)構(gòu)。
[0018]圖3為探測(cè)后向散射的傳感器結(jié)構(gòu)。
[0019]圖4為Fabry_P6rot腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5為介質(zhì)膜布拉格反射鏡的反射率與的入射角的關(guān)系圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]為使得本發(fā)明的內(nèi)容更加清晰，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0022]例I
[0023]首先，在玻璃襯底上鍍Si/Si02薄膜以形成布拉格反射鏡，然后將兩個(gè)襯底面對(duì)面排列以構(gòu)成Fabry-P6rot腔(如圖4)。
[0024]其次,將含有懸浮顆粒的氣體通入Fabry_P6rot腔內(nèi)，顆粒對(duì)入射的激光進(jìn)行前向散射；散射光的散射角度超過(guò)特定閾值時(shí)，散射光透過(guò)布拉格反射鏡，從Fabry-P6rot腔內(nèi)導(dǎo)出、并被CCD陣列探測(cè)；最后，根據(jù)CCD探測(cè)到的散射光的強(qiáng)度分布，分析得知顆粒的粒度分布(圖2)。
[0025]例2
[0026]首先，在硅襯底上鍍Si/Si02薄膜以形成布拉格反射鏡，然后將兩個(gè)襯底面對(duì)面排列以構(gòu)成Fabry-Perot腔(如圖4)。
[0027]其次，將含有懸浮顆粒的液體通入Fabry-PSrot腔內(nèi)，顆粒對(duì)入射的激光進(jìn)行后向散射；散射光的散射角度超過(guò)特定閾值時(shí)，散射光透過(guò)布拉格反射鏡，從Fabry-P6rot腔內(nèi)導(dǎo)出、并被光電探測(cè)器探測(cè)到(圖3)。
[0028]最后，逐點(diǎn)移動(dòng)光電探測(cè)器，以獲得散射光強(qiáng)的空間分布。
[0029]例3
[0030]首先，在GaAs襯底上鍍GaAs/AlGaAs薄膜以形成布拉格反射鏡，然后將兩個(gè)襯底面對(duì)面排列以構(gòu)成Fabry-P6rot腔(如圖4)。
[0031]其次，將含有懸浮顆粒的氣體通入Fabry_P6rot腔內(nèi)，顆粒對(duì)入射的激光進(jìn)行后向散射；散射光的散射角度超過(guò)特定閾值時(shí)，散射光透過(guò)布拉格反射鏡，從Fabry-P6rot腔內(nèi)導(dǎo)出、并被CCD陣列探測(cè)到(圖3)。
[0032]綜上所述，本發(fā)明提供的基于光學(xué)諧振腔的微粒粒度檢測(cè)傳感器，既能利用諧振增強(qiáng)效應(yīng)來(lái)提高顆粒對(duì)光的散射，又能利用入射角對(duì)布拉格反射鏡的反射率影響來(lái)導(dǎo)出散射光。發(fā)明的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和高靈敏度的特點(diǎn)。
[0033]以上所述是本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實(shí)例，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想所做的等效變換，只要其所運(yùn)用的方案仍未超出說(shuō)明書(shū)和附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說(shuō)明。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光學(xué)諧振腔的微粒粒度檢測(cè)傳感器，其特征是:光學(xué)諧振腔采用由介質(zhì)膜布拉格反射鏡(DBR)構(gòu)成的Fabry-P6r0t腔；由于諧振腔的諧振效應(yīng)使得腔內(nèi)光強(qiáng)度得到大幅提高，增強(qiáng)了腔內(nèi)顆粒對(duì)光的散射效應(yīng)；同時(shí)，由于DBR的反射率對(duì)角度敏感，當(dāng)入射角超過(guò)特定閾值時(shí)，DBR的反射率急劇降低，因此散射角度超過(guò)特定閾值的散射光可以從諧振腔內(nèi)有效導(dǎo)出。
2.權(quán)利要求1所述傳感器，由Fabry-PSrot腔、光學(xué)透鏡和光電探測(cè)部分組成。
3.權(quán)利要求1所述的特定閾值，具有以下特征:當(dāng)入射角小于特定閾值時(shí)，布拉格反射鏡能有效反射光波；當(dāng)入射角大于特定閾值時(shí)，布拉格反射鏡對(duì)光波的反射率急劇下降，喪失反射鏡功能。
4.權(quán)利要求1和3所述的布拉格反射鏡，可以選擇不同的薄膜材料組合，從而調(diào)節(jié)不同薄膜材料之間的折射率差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定閾值的調(diào)節(jié)。
5.權(quán)利要求1所述的所述的光散射效應(yīng)，具有前向散射或后向散射兩種形式，相應(yīng)的光學(xué)透鏡和光電探測(cè)部分需要放置在Fabry-P6rot腔的后側(cè)或前側(cè)。
6.權(quán)利要求4所述的布拉格反射鏡，是通過(guò)在襯底上交替生長(zhǎng)不同折射率的介質(zhì)薄膜而成，其中的薄膜材料優(yōu)選Si/Si02、Ti02/Si02和GaAs/AlGaAs。
7.權(quán)利要求2所述的光電探測(cè)部分，可按兩種方式實(shí)現(xiàn):①采用電荷耦合元件陣列，對(duì)散射光的強(qiáng)分布直接成像；②采用光電探測(cè)器，需要轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)探測(cè)器的位置，從而獲得散射光的空間光強(qiáng)分布。
【文檔編號(hào)】G01N15/02GK104280321SQ201310285299
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2013年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月1日
【發(fā)明者】黃輝, 渠波, 吳海波, 劉蓬勃, 白敏
申請(qǐng)人:黃輝, 渠波, 吳海波