魏勇 张竟原 刘春兰 赵嫦欣
【摘要】为了解决SPR传感器中棱镜型SPR传感器系统体积庞大、光纤型SPR传感器稳定性不足、灵敏度低的问题,本文利用TRIZ理论中的创新分析方法,设计出一种结构简单、灵敏度高的单模光纤锥角结构的SPR传感器。
【关键词】TRIZ理论;创新设计
一、市场中SPR传感器存在的问题
(1)使用棱镜式SPR传感器装置复杂性较高;(2)使用多模光纤SPR传感器灵敏度较低;(3)使用单模侧抛型光纤SPR传感器结构稳定性不足。
二、使用TRIZ工具解决问题
对于上述问题,所提出的问题(2),将多模光纤替换为单模光纤,可提高传感器的灵敏度,故可将问题的重心放在问题(1)与问题(3)。基于此,我们利用“特性传递”工具,对问题的具体分析如下。
一是识别系统的主要功能。单模光纤型SPR传感器的主要功能是检测折射率不同的溶液。
二是分析系统的优缺点。系统的优点是成本低,结构简单,即装置的复杂性低,缺点是存在着加工制作困难,普通单模光纤加工后传感区过细,使用时易折断的问题,即结构的稳定性较低。
三是确定竞争系统。可用用来检测折射率不同的溶液的装置有:棱镜式SPR传感器、多模光纤型SPR传感器、光栅耦合式SPR传感器等。
四是寻找备选系统。我们这里选择系统结构稳定性较高的棱镜式SPR传感器,如图1所示,单模光纤侧抛型SPR传感器与棱镜式SPR传感器的优缺点对比如表1所示。
五是確定基础系统。由于我们的目标是设计一种灵敏度较高且结构简单的光纤型SPR传感器,故选择单模光纤侧抛型SPR传感器作为基础系统。
六是识别特性来源工程系统中造成优点的特性或组件。光在单模光纤纤芯中传播时,由于纤芯直径较小,SPR传感区即50nm金膜镀制在光纤包层外,故需要将包层腐蚀后使纤芯弯曲一定角度,造成光纤易折断的问题。
棱镜式SPR传感器之所以具有较高的稳定性,是因为金膜可镀制在棱镜表面,光在以棱镜介质中传播时,其传播路径会经过SPR传感区,不需要对传播介质做相应的调整,故棱镜式SPR传感器具有较高的稳定性。
七是将选定的特性来源工程系统的新特性或组件移入到基础系统中。我们需要解决的问题是使单模光纤中光的传播路径经过SPR传感区,使纤芯能够与SPR传感区接触,则系统工作时不需要将单模光纤弯曲,从而使新系统同时具有较高的稳定性与较低的装置复杂性。
三、确定解决方案
综合上述分析,我们设计出一种基于错芯焊接技术的单模光纤锥角结构SPR微传感器,通过在普通单模光纤和多模光纤末端磨制相同角度锥角结构,巧妙地将镀有薄金属层的Kretchmann棱镜结构集成在单模光纤末端。其结构牢固稳定,灵敏度高。其整体实验装置如图2,单模锥角结构光纤图如图3所示。
参考文献
[1]孙永伟,谢尔盖.伊克万科.TRIZ打开创新之门的金钥匙[M].北京:科学出版社,2015.
[2]孙永伟.特性传递[J].TRIZ评论,2016(01):3~7.
作者简介:魏勇(1987.06—),男,汉族,内蒙包头人,博士,重庆三峡学院,讲师,研究方向:光纤传感、大学生创新教育;张竟原(1997.05—),男,汉族,重庆人;刘春兰(1989.03—),女,汉族,四川人,硕士,重庆三峡学院,助理实验师,研究方向:光纤传感;赵嫦欣(1991.03—),女,汉族,黑龙江齐齐哈尔,硕士,重庆三峡学院,助理实验员,研究方向:光纤传感。