[論文レビュー] Optofluidic Temperature and Pressure Measurements with Fiber Bragg Gratings Embedded in Microfluidic Devices

Gregory A. Cooksey, Zeeshan Ahmed|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2016

Advanced Fiber Optic Sensors参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、マイクロリットル量の液体において、同時にリアルタイムで温度と圧力を測定可能なマイクロ流体プラットフォームを提示する。商業的に入手可能なフォイル・ブラッググレーティング（FBG）を統合したこのプラットフォームは、簡素で低コストなマイクロ流体チップに埋め込まれており、熱的および機械的変化に対して高い感度を示し、マイクロリットルスケールのカルロリメトリーおよびマイクロフロー計測に応用可能であり、温度分解能が1ミリ度未塔、圧力分解能が1kPa未塔である。

ABSTRACT

The integration of photonic sensors into microfluidic devices provides opportunities for dynamic measurement of chemical and physical properties of fluids in very small volumes. We previously reported on the use of commercially available Fiber Bragg Gratings (FBGs) and on-chip silicon waveguides for temperature sensing. In this report, we demonstrate the integration of FBGs into easy-to-fabricate microfluidic devices and report on their sensitivity for temperature and pressure measurement in microliter volumes. These sensors present new routes to measurement in microfluidic applications such as small-volume calorimetry and microflow metrology.

研究の動機と目的

• 液体の物性を統合的光センシングで行う低コストで容易に製造可能なマイクロ流体プラットフォームの開発を目的とする。
• 商業的に入手可能なFBGを用いて、マイクロリットルスケールの液体体積において、リアルタイムで動的温度および圧力測定を可能にする。
• マイクロ流体環境においてFBGを二重パラメータセンサーとして使用する可能性を実証すること。
• マイクロスケールのカルロリメトリーおよびマイクロフローメトロロジー分野における新規応用を支援すること。
• マイクロ流体チャネル内でのさまざまな熱的および圧力的条件下でのセンサーの感度および安定性を検証すること。

提案手法

• 商業的に入手可能なフォイル・ブラッググレーティング（FBG）を、標準的なソフトリソグラフィー技術を用いて作製されたマイクロ流体デバイスに埋め込んだ。
• マイクロ流体チップは、FBGと一致する液体チャネルを備えており、直接的な熱的および機械的結合を確保した。
• 実験的に温度および圧力変化を発生させ、光インターオペレーションシステムを用いてリアルタイムでブラッグ波長シフトをモニタリングした。
• FBGの波長応答を、制御された熱的および圧力的ソースを用いてキャリブレーションした。
• 感度および応答時間の評価を目的として、マイクロリットルスケールの液体体積でシステムをテストした。
• 感度は、温度または圧力の単位変化に伴う波長シフトを測定することで定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 商業的に入手可能なFBGは、低コストで容易に製造可能なマイクロ流体デバイスに効果的に統合可能であり、二重温度・圧力センシングが可能であるか？
• RQ2 マイクロリットルスケールの液体体積において、FBGベースのセンサーは温度および圧力変化に対してどの程度の感度を示すか？
• RQ3 マイクロ流体環境における動的熱的および圧力的条件下で、FBGの測定は安定的かつ再現可能であるか？
• RQ4 マイクロカルロリメトリーおよびマイクロフローメトロロジー応用において関連する微小な温度および圧力変化を解像可能か？
• RQ5 液体環境下における埋め込みFBGの応答時間および運用安定性はいかがなものか？

主な発見

• FBGセンサーは約10 pm/°Cの温度感度を示し、マイクロ流体システムにおいて1ミリ度未塔の分解能に適していることが確認された。
• センサーは約1.5 pm/kPaの圧力感度を示し、マイクロスケールの圧力測定において1kPa未塔の分解能を実現した。
• 複数回の熱的および圧力サイクルにわたって安定的かつ再現可能な測定が達成されたことから、動的流体環境下でも耐久性があることが示された。
• マイクロ流体チップの設計により、液体とFBG間の効果的な熱的および機械的結合が実現され、物理的パラメータの正確な変換が保証された。
• 市販のFBGを簡素なマイクロ流体プラットフォームに統合することで、複雑なプロセスやパッケージングを要せず、高精度なセンシングが可能となった。
• 本結果は、マイクロスケールの液体系において、リアルタイムで二重パラメータをモニタリング可能なFBGベースのセンサーの実現可能性を裏付けた。