带有温度补偿的微流传感器研究

李勇志，金东洋,黄文雪,胡久龄，景殿涛

(沈阳辽海装备有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

0 引言

多孔光纤是一种沿其轴向上含有空气孔的光纤，包括微结构光纤(MSF)[1]和光子晶体光纤(PCF)[2]，其中微结构光纤又包括中空偏心光纤(HEF)[3]和边孔光纤(SHF)[4]。多孔光纤多应用于化学传感和实时测量。基于多孔光纤的紧凑型传感器也被称为微流控光纤传感器，其具有易与通信系统结合的优点，也可被集成为芯片实验室[5]。由于微流控技术具备响应时间快，控制精确，方便携带和自动化程度高等优势，得到了人们的广泛关注。

长周期光纤光栅(LPFG)[6]的周期长度为几十微米到几百微米，其工作原理是把光纤纤芯的基模和同方向传输的包层模式进行耦合，将处在共振波长的光耦合到包层里，在输出光的光谱图上产生缺陷。但单个光纤光栅传感器不仅受一个物理量的影响，对温度、折射率、应力、弯曲和压力等参数均较敏感[7-9]，用于传感时很难区分温度和折射率分别引起的光谱变化，所以光纤光栅传感器存在交叉敏感的问题，为了克服此阻碍，使光纤光栅传感器从理论走向实际，实现多参数的同时测量将是必须攻克的难题。

2012年，Hu等[10]提出了一种由长周期光纤光栅和光子晶体光纤模态干涉仪组成的双参数测量传感器，该传感器在长周期光纤光栅上的折射率灵敏度和温度灵敏度分别为-30.82 nm/RIU和47.4 pm/℃，而在光子晶体光纤模态干涉仪上分别为171.96 nm/RIU和10.4 pm/℃；2018年，Zhang等[11]提出了一种基于无芯光纤的级联长周期光纤光栅传感器，该传感器折射率灵敏度最高达到-580.269 dB/RIU，温度灵敏度为27.2 pm/℃。本文设计了一种带有温度补偿的微流传感器，是一种波长调制型光纤传感器，利用CO2激光器在边孔光纤上刻写两段不同周期的LPFG，以达到折射率和温度同时测量的目的。本文设计的传感器折射率灵敏度的优势在于光纤天然的内通道能集成到微流芯片中，体积小，质量小，能对折射率和温度进行实时监测。

1 双参数测量原理

LPFG周期长度为几十微米到几百微米，沿着光纤轴向折射率发生周期变化。当满足相位匹配条件时，光纤的基模与同向传输的包层模发生耦合，由于在包层与空气界面处发生散射损耗，这些模式沿光纤轴向传输时会发生衰减，在输出光的光谱图上形成共振峰。LPFG的相位匹配条件为

λi=(ncore-nclad(i))Λ

(1)

式中：λi为i阶包层模与纤芯基模耦合的共振波长；ncore，nclad(i)分别为纤芯基模和i阶包层模的有效折射率；Λ为周期长度。

由于λi对nclad(i)具有高度的依赖性，使得LPFG对包层附近的任何物理、化学或生物扰动引起的nclad(i)变化非常敏感，所以基于边孔光纤的LPFG折射率灵敏度较高。

LPFG的共振波长与折射率和温度都具有良好的线性关系，因此用2个LPFG的结合可实现折射率和温度的同时测量，如图1所示。该结构在光谱上会表现为W型双共振峰。

图1 双光栅级联示意图

LPFG不同共振峰的共振波长的折射率或温度灵敏度不同，当折射率和温度同时作用在级联LPFG时，不同共振峰的共振波长变化ΔλA和ΔλB可表示为

(2)

式中：KnA，KnB分别为折射率单独作用在光栅A、B时共振波长λA和λB的折射率灵敏度；KTA，KTB分别为温度单独作用于光栅A、B时共振波长λA和λB的温度灵敏度;Δn为折射率变化;ΔT为温度变化。

由矩阵论可知，只要系数矩阵满足KnAKTB≠KnBKTA，则式(2)有解。当折射率和温度同时作用于级联LPFG，只要测出级联LPFG的共振峰A、B对应的共振波长的变化ΔλA和ΔλB，即可由式(2)解出Δn和ΔT，从而用级联LPFG实现折射率和温度的同时测量。

2 传感器设计与制作

图2为边孔光纤横截面示意图。该光纤是由两个对称的空气孔、椭圆形纤芯和包层组成，其直径为∅125 μm，纤芯为椭圆形，长轴长为10.4 μm，短轴长为5.7 μm，两个空气孔的直径为∅43 μm，空气孔到纤芯的距离即内包层厚度为10.3 μm，外包层厚度为9.2 μm。利用CO2激光器在边孔正上方刻写两段LPFG。

图2 边孔光纤截面图

采用CO2激光写入方法制作LPFG。图3为在边孔光纤上写入两个LPFG的实验装置和方法的示意图。边孔光纤两端分别连接超连续谱光源(Superk Compact，NKT Photonics，光谱范围600～1 700 nm)和光谱仪(OSA，AQ6317B，ANDO)。利用两个可调夹具C1、C2来固定边孔光纤，调节边孔光纤的角度，确保边孔在CO2激光器(CO2-H10，Han’s Laser)的正下方，并写入光栅A。然后调节位移台，与光栅A相距2 cm的地方写入光栅B。光栅A周期为480 μm，长度为24 mm，光栅B周期为500 μm，长度为25 mm。

图3 双光栅传感器制作示意图

图4为双LPFG光谱。在制作完第一段LPFG时，用光谱仪记录透射光谱(黑线)，光栅A共振波长为1 268.7 nm，消光比达到16 dB。制作完第二段LPFG时，再次记录其透射谱(红线)，光栅B共振波长为1 385.8 nm，消光比达到18 dB。

图4 光栅A和双LPFG(光栅A和光栅B)光谱

3 温度补偿

图5为样品溶液折射率测量装置。LPFG制作完成后，先对两段LPFG间的光纤微通道进行熔融塌缩操作，以防止溶液串流。用毛细管套在光栅A区域，在毛细管中插入毛细管光纤(外径∅125 μm，内径∅20 μm)，然后在毛细管两端用紫外固化胶封死，这一端用作样品溶液注入口。将单模光纤一端磨成圆台，研磨角度为30°，研磨深度为40 μm，并与边孔光纤光栅A端焊接，用作样品溶液流出口。

图5 样品溶液折射率测量装置

图6(a)、(b)为光栅A、B折射率响应曲线。当注液泵注入样品溶液的折射率为1.335～1.395，步长为0.01时，随着样品溶液折射率的增加，光栅A、B的共振波长向短波方向偏移，光栅A的折射率灵敏度为-88.724 nm/RIU，光栅B的折射率灵敏度为-79.474 nm/RIU。图6(c)、(d)为光栅A、B温度响应曲线。用恒温加热台对其温度灵敏度进行测量，测量范围为20～100 ℃，步长为10 ℃，随着温度的增加，光栅A、B的共振波长向长波方向偏移，光栅A的温度灵敏度为52.0 pm/℃，光栅B的温度灵敏度为55.7 pm/℃。

图6 光栅A、B折射率及温度响应曲线

将光栅A、B的折射率灵敏度与温度灵敏度代入式(2)中，得到温度补偿传感矩阵为

(3)

4 结束语

本文提出一种带有温度补偿的光纤光栅传感器，两个LPFG共振峰的折射率灵敏度分别为-88.724 nm/RIU和-79.474 nm/RIU，温度灵敏度分别为52.0 pm/℃和55.7 pm/℃。通过实验结果推导出温度补偿的传感矩阵，能实现液体折射率和温度的测量。该传感器灵敏度和一些其他的传感器相比不具备优势，该缺点可通过对边孔光纤熔融拉锥解决，通过减小纤芯直径以增加低阶模式与外界环境接触的机会。因此，通过熔融拉锥后制作的LPFG，其折射率灵敏度可得到提高。