本發(fā)明涉及光學(xué)傳感領(lǐng)域，尤其是光阱傳感器的片上集成式裝置。
背景技術(shù)：
光阱傳感器是光學(xué)傳感器的一個分支，它利用光輻射產(chǎn)生的微小力實現(xiàn)對傳感器中微球的懸浮式支撐，消除了由接觸式支撐方式導(dǎo)致的各種誤差，降低了環(huán)境敏感性。隨著光電科技的發(fā)展，光阱傳感器逐漸展現(xiàn)出其在高精度、高靈敏度、小型化方面的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
片式光阱傳感控制單元是光阱傳感器中至關(guān)重要的一個組成元件。它設(shè)計的好壞直接影響到光阱傳感器的工作效率、測量精度和靈敏度。光阱傳感器需要對單個微球進行高效率捕獲、高精度位置測量和高穩(wěn)定控制。但是目前大多數(shù)生產(chǎn)廠家或者研究機構(gòu)所研制的片式敏感單元均是針對化學(xué)、生物、醫(yī)藥等需要高通量的實驗，屬于半密封式片式單元，不能實現(xiàn)微粒的長時間穩(wěn)定捕獲，限制了微粒位置探測精度。而且目前大多空間光阱所采用的片式單元的微腔空間較大，微粒捕獲效率不高。
我們曾公開了一種全密閉式片式光阱傳感控制單元及其制作方法（cn105759073），現(xiàn)在提出另外一種方案。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種全封閉式光阱傳感控制單元及其制作方法。
一種全封閉式光阱傳感控制單元，包括儲存微球的微型通腔、用于固定和操作微型通腔的微型操作棒以及帶有通道和通槽的基底；
所述的微型通腔通過截取一段內(nèi)邊長為10-90微米的方形毛細(xì)管得到，截取前所述的方形毛細(xì)管預(yù)先和石英玻璃片用紫外光膠粘合；
所述的基底表面刻有通道和通槽，通道用于固定和對準(zhǔn)兩根單模光纖，通槽用于固定和存放微型操作棒；
所述的微型通腔的開口面積小于單模光纖端面面積，微型通腔內(nèi)壁的四個面與兩根單模光纖的端面構(gòu)成一個封閉區(qū)域，用于存放微球；
所述的通道為v形通道，橫截面為等邊三角形，通道和通槽相互垂直；
所述的通槽的橫截面為矩形，通槽的寬度大于微型操作棒的寬度。
所述的單模光纖的軸線與微型通腔的中軸線重合，所述的通槽的加工深度d由微型通腔的外邊長b、微型操作棒的厚度l、通道的橫截面邊長x和第一單模光纖、第二單模光纖裸纖直徑2r參數(shù)決定，滿足幾何關(guān)系：
一種全封閉式光阱傳感控制單元的制作方法，包括微型通腔的制作，基底的制備，微球的封裝和整體對準(zhǔn)與封裝；
所述的微型通腔的制作過程包括方形毛細(xì)管與蓋玻片的粘膠固化、機械切割和清洗烘干；
所述的基底的制備過程包括通道和通槽的機械加工和基底的清洗；
所述的微球的封裝過程包括微納棒的制作和將微球放入微型通腔；
所述的整體對準(zhǔn)與封裝包括微型操作棒在通槽內(nèi)的對準(zhǔn)、單模光纖的在通道內(nèi)的對準(zhǔn)和紫外光膠固化。
具體制作步驟如下：
一、微型通腔的制作具體操作步驟為：
1.1將厚度為亞毫米量級的干凈石英玻璃片切成20mm×20mm的正方形；
1.2用丁烷噴燈灼燒方形毛細(xì)管外側(cè)的保護層，用酒精擦拭干凈后，截成30mm的長度，放入盛有無水乙醇的容器中進行超聲清洗；
1.3用鑷子將方形毛細(xì)管放置在玻璃片正中間，讓方形毛細(xì)管兩端伸出玻璃片邊緣，與玻璃片邊緣垂直放置；
1.4用光纖蘸取少量紫外光膠，涂在方形毛細(xì)管與玻璃片接觸部位的兩側(cè)，在紫外光下照射2分鐘，然后在120℃的烘箱內(nèi)加熱固化6小時；
1.5垂直于方形毛細(xì)管長度的方向切割粘在一起的方形毛細(xì)管和玻璃片，方形毛細(xì)管被切割成寬度為200微米的微型通腔，玻璃片被切割成寬度為200微米、長度為20mm的微型操作棒，微型操作棒的厚度為玻璃片的厚度，微型通腔和微型操作棒通過紫外光膠粘合為一體。
二、基底的制備具體操作步驟為：
2.1將厚度為1mm的石英玻璃片切成20mm×5mm的長方形作為基底，沿基底上表面短邊的中垂線切出邊長為206微米的通道；
2.2根據(jù)微型通腔、微型操作棒、通道和單模光纖的尺寸參數(shù)計算得到通槽的加工深度和寬度，沿基底上表面長邊的中垂線切出通槽；
2.3將微型操作棒和基底先后放入盛有無水乙醇和超純水的容器中分別超聲清洗3分鐘，取出后放在80℃烤盤上烘干。
三、微球的封裝具體操作步驟為：
3.1取10mm長的玻璃點樣毛細(xì)管，從中間加熱、拉伸并截斷，得到兩根微納棒；微納棒的一端為未拉伸的毛細(xì)管，另一端為直徑小于微型通腔內(nèi)邊長的尖端。尖端直徑為1-50微米，長度大于200微米；
3.2用脫脂棉蘸酒精擦拭尖端，蘸取少量微球，伸入微型通腔，來回挪動微納棒，使尖端上的微球轉(zhuǎn)移黏附到微型通腔的內(nèi)壁；
四、整體對準(zhǔn)與封裝具體操作步驟為：
4.1取兩根單模光纖，去除涂敷層，用光纖切割刀切割得到平整的端面，用脫脂棉蘸酒精擦拭干凈；
4.2將微型操作棒放入基板的通槽里，粘有微型通腔的一面朝上，微型通腔的開口方向與通道的方向平行；
4.3將兩根單模光纖分別放入通槽兩側(cè)的通道內(nèi)，兩根單模光纖的端面分別貼合微型通腔開口的兩個端面；調(diào)整微型操作棒在通槽中的位置，使微型通腔的中軸線與單模光纖的軸線重合；
4.4用光纖蘸取少量紫外光膠，涂在通道和通槽內(nèi)，讓膠水填充單模光纖與通道間的縫隙，填充微型操作棒與通槽間的縫隙，并自然擴展到靠近微型通腔的區(qū)域，照射紫外光2分鐘進行固化。
所述的步驟3.2中，可以根據(jù)實際需求將單個或多個微球封存在微型通腔和單模光纖端面構(gòu)成的封閉區(qū)域內(nèi)，將微球的運動范圍限制在封閉區(qū)域內(nèi)，提高了微球的捕獲效率，可對微球進行重復(fù)捕獲，同時隔絕了外界污染和影響。
片式光阱傳感控制單元的工作原理是普通單模光纖用于激光傳輸，形成雙光束光阱。單模光纖出光面直接面對微型通腔，雙光束光阱捕獲區(qū)域剛好在微型通腔內(nèi)部。當(dāng)封閉區(qū)域內(nèi)的微球處于光阱捕獲區(qū)域時，會在光阱力的作用下將移動到光阱中受力平衡點。通過調(diào)整激光的輸出光功率，將微粒調(diào)整至光阱的中心位置。對片式光阱傳感單元施加一定的加速度，微粒會相對光阱中心位置產(chǎn)生一定的偏移，從而可以得到所施加加速度的值。
由于微型通腔的尺寸太小，直接加工和操作存在困難，在光阱傳感單元結(jié)構(gòu)的制作過程中引入微型操作棒，可以降低微型通腔的加工和操作難度。
利用微納棒的尖端封裝微球的方法，可以提高封裝微球的效率，精確控制封裝微球的數(shù)量。
附圖說明
圖1為光阱傳感控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為光阱傳感單元中微型通腔和單模光纖在基板通槽和通道內(nèi)的相對位置示意圖；
圖3為基板上通槽截面示意圖；
圖4為基板上通道的截面示意圖；
圖中，微型通腔1、微型操作棒2、基底3、通道4、通槽5、第一單模光纖6、第二單模光纖7。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。
如圖1、2所示，本發(fā)明提供一種高捕獲效率、光纖對準(zhǔn)精度高、易于加工、組裝和清洗的全封閉式光阱傳感控制單元，包括儲存微球的微型通腔1、用于固定和操作微型通腔的微型操作棒2以及帶有通道和通槽的基底3；
所述的微型通腔1通過截取一段內(nèi)邊長為10-90微米的方形毛細(xì)管得到，截取前所述的方形毛細(xì)管預(yù)先和石英玻璃片用紫外光膠粘合；
所述的基底3表面刻有通道4和通槽5，通道4用于固定和對準(zhǔn)第一單模光纖6和第二單模光纖7，通槽5用于固定和存放微型操作棒2；
所述的微型通腔1的開口面積小于第一單模光纖6、第二單模光纖7的端面面積，微型通腔內(nèi)壁的四個面與第一單模光纖6、第二單模光纖7的端面構(gòu)成一個封閉區(qū)域，用于存放微球；
如圖3所示，所述的通槽5的橫截面為矩形，通槽5的寬度大于微型操作棒2的寬度；如圖4所示，所述的通道4為v形通道，橫截面為等邊三角形，通道4和通槽5相互垂直。所述的單模光纖的軸線與微型通腔1的中軸線重合，所述的通槽5的加工深度d由微型通腔1的外邊長b、微型操作棒2的厚度l、通道4的橫截面邊長x和第一單模光纖6、第二單模光纖7裸纖直徑2r參數(shù)決定，滿足幾何關(guān)系：
全封閉式光阱傳感控制單元的制作過程包括微型通腔的制作，基底的制備，微球的封裝和整體對準(zhǔn)與封裝。
一、微型通腔的制作
1將厚度為0.31mm的干凈石英玻璃片切成20mm×20mm的正方形，先后放入盛有無水乙醇和超純水的容器中分別超聲清洗3分鐘，取出后放在80℃烤盤上烘干。
2用丁烷噴燈灼燒方形毛細(xì)管外側(cè)的保護層，用酒精擦拭干凈后，截成30mm的長度，放入盛有無水乙醇的容器中進行超聲清洗，方形毛細(xì)管的內(nèi)邊長為50微米，外邊長為300微米。
3用鑷子將方形毛細(xì)管放置在玻璃片正中間，讓方形毛細(xì)管兩端伸出玻璃片邊緣，與玻璃片邊緣垂直放置，防止后續(xù)粘膠步驟紫外光膠污染毛細(xì)管的內(nèi)壁。
4用光纖蘸取少量紫外光膠，涂在方形毛細(xì)管與玻璃片接觸部位的兩側(cè)，在紫外光下照射2分鐘，然后在120℃的烘箱內(nèi)加熱固化6小時。
5將固化后的方形毛細(xì)管和玻璃片固定在加工機床上進行機械切割：垂直于方形毛細(xì)管長度的方向切割粘在一起的方形毛細(xì)管和玻璃片。切割刀片的寬度為70微米，切割時切面的崩口很小，可保證微型通腔的端面平整。相隔200微米切割兩刀，便可將方形毛細(xì)管切割成一截寬度為200微米的微型通腔1，將玻璃片切割成寬度為200微米、長度為20mm的微型操作棒2。微型操作棒2的厚度為原玻璃片的厚度，切割后微型通腔1和微型操作棒2通過紫外光膠粘合為一體。
二、基底的制備
1將厚度為1mm的普通石英玻璃片切成20mm×5mm的長方形作為基底3，沿基底上表面短邊的中垂線切出邊長為206微米的通道4，普通單模光纖的裸纖直徑為125微米。因此，通道4的等邊三角形截面剛好外切于單模光纖的圓形截面。
2根據(jù)微型通腔1、微型操作棒2、通道4和第一單模光纖6和第二單模光纖7的尺寸參數(shù)計算得到通槽5的加工深度為513微米。將通槽的寬度設(shè)置為320微米（大于微型操作棒2的寬度200微米，沿基底上表面長邊的中垂線切出通槽5。
3將微型操作棒2和基底3先后放入盛有無水乙醇和超純水的容器中分別超聲清洗3分鐘，取出后放在80℃烤盤上烘干。
三、微球的封裝
1取10mm長的玻璃點樣毛細(xì)管，放在丁烷噴燈上，從中間加熱、拉伸并截斷，得到兩根微納棒；微納棒的一端為未拉伸的毛細(xì)管，另一端為直徑小于微型通腔（1內(nèi)邊長的尖端。在顯微鏡下測量得到，尖端直徑為1-30微米，長度約為400微米。
2用脫脂棉蘸酒精擦拭尖端，蘸取少量直徑為10微米的二氧化硅干粉狀微球。將微納棒和微型通腔1分別固定在光纖耦合臺的兩個耦合基座上，在顯微成像的協(xié)助下，調(diào)節(jié)耦合基座的機械旋鈕，將微納棒對準(zhǔn)微型通腔1的開口，伸入微型通腔1，來回挪動微納棒，使尖端上的微球轉(zhuǎn)移黏附到微型通腔1的內(nèi)壁。在顯微成像的協(xié)助下，控制黏附在內(nèi)壁的微球數(shù)量。
四、整體對準(zhǔn)與封裝
1取兩根單模光纖，用剝線鉗去除涂敷層，用光纖切割刀切割得到平整的端面，用脫脂棉蘸酒精擦拭干凈。
2將基板3固定在光纖耦合基座上，用鑷子將微型操作棒2放入基板3的通槽5里，讓粘有微型通腔1的一面朝上，讓微型通腔1的開口方向與通道4的方向平行。
3在光纖耦合臺上將第一單模光纖6和第二單模光纖7分別放入通槽5兩側(cè)的通道4內(nèi)，第一單模光纖6和第二單模光纖7的端面分別貼合微型通腔1開口的兩個端面；取一小段干凈的光纖推動微型操作棒2的一端，調(diào)整微型操作棒2在通槽5中的位置。如圖2所示，使微型通腔1的中軸線與單模光纖的軸線重合；
4用光纖蘸取少量紫外光膠，涂在通道4和通槽5內(nèi)，讓膠水填充第一單模光纖6和第二單模光纖7與通道4間的縫隙，填充微型操作棒2與通槽5間的縫隙，并自然擴散到靠近微型通腔1的區(qū)域，及時照射紫外光2分鐘進行固化，以免紫外光膠進入微型通腔1污染內(nèi)壁。
以上是對本發(fā)明所提出的全封閉式的光阱傳感控制單元的詳細(xì)介紹。雖然本文中就具體實施方式進行了詳細(xì)的闡述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改和等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的原理和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之中。