[논문 리뷰] Optofluidic Temperature and Pressure Measurements with Fiber Bragg Gratings Embedded in Microfluidic Devices

Gregory A. Cooksey, Zeeshan Ahmed|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 24.

Advanced Fiber Optic Sensors참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 미세리터 수준의 유체에서 온도와 압력을 동시에 실시간으로 측정할 수 있도록 상용 섬유 브라그 격자(FBGs)를 통합한 마이크로유체 장치를 제시한다. FBGs는 간단하고 저비용인 마이크로유체 칩에 내장되어 있으며, 열적 및 기계적 변화에 대해 높은 민감도를 보이며, 미세리터 체적의 열량 측정 및 마이크로유량 측정에 응용 가능하게 한다. 이는 밀리도 이하의 해상도와 킬로파스칼 이하의 해상도를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유체 성질을 통합 광학 센싱하기 위한 저비용, 제작이 용이한 마이크로유체 플랫폼을 개발하기 위해.
• 상용 FBGs를 사용하여 소량의 유체 체적에서 실시간으로 동적 온도 및 압력 측정을 가능하게 하기 위해.
• 마이크로유체 환경에서 FBGs를 이중 매개변수 센서로 사용할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.
• 미세스케일 열량 측정 및 마이크로유량 측정 분야의 새로운 응용을 지원하기 위해.
• 마이크로유체 채널 내에서 다양한 열 및 압력 조건에서 센서의 민감도 및 안정성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 표준 소프트 리소그래피 기법을 사용해 제작된 마이크로유체 장치에 상용 섬유 브라그 격자(FBGs)를 내장하였다.
• 유체 채널이 FBG와 정렬되도록 마이크로유체 칩를 설계하여 직접적인 열적 및 기계적 결합을 확보하였다.
• 실험적으로 온도 및 압력 변화를 유도하고, 광학적 인터로게이션 시스템을 사용해 실시간으로 브라그 파장 이동을 모니터링하였다.
• 제어된 열 및 압력 소스를 사용하여 FBG의 파장 반응을 온도 및 압력에 대해 校정하였다.
• 민감도 및 반응 시간 평가를 위해 마이크로리터 수준의 유체 체적에서 시스템을 테스트하였다.
• 민감도는 온도 또는 압력의 단위 변화에 따른 파장 이동을 측정하여 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상용으로 유통되는 FBGs는 저비용, 제작이 용이한 마이크로유체 장치에 효과적으로 통합되어 이중 온도 및 압력 센싱에 사용될 수 있는가?
• RQ2 마이크로리터 수준의 유체 체적에서 FBG 기반 센서의 온도 및 압력 변화에 대한 민감도는 어떠한가?
• RQ3 마이크로유체 환경에서 동적 열 및 압력 조건 하에서 FBG 측정은 안정적이고 반복 가능한가?
• RQ4 마이크로열량 측정 및 마이크로유량 측정 응용에 필요한 작은 변화를 센서가 식별할 수 있는가?
• RQ5 유체 환경에서 내장된 FBG의 반응 시간과 운영 안정성은 어떠한가?

주요 결과

• FBG 센서는 약 10 pm/°C의 온도 민감도를 보이며, 마이크로유체 시스템에서 밀리도 이하의 해상도에 적합하다.
• 센서는 약 1.5 pm/kPa의 압력 민감도를 나타내어 마이크로스케일 압력 측정에서 킬로파스칼 이하의 해상도를 가능하게 한다.
• 다양한 열 및 압력 사이클을 거친 후에도 안정적이고 반복 가능한 측정을 보이며, 동적 유체 환경에서의 견고함을 입증한다.
• 마이크로유체 칩 설계는 유체와 FBG 간의 효과적인 열적 및 기계적 결합을 가능하게 하여 물리적 매개변수의 정확한 전달을 보장한다.
• 일상적으로 사용 가능한 FBGs를 단순한 마이크로유체 플랫폼에 통합함으로써, 복잡한 제조나 봉제 없이도 고정밀 센싱이 가능하다.
• 결과는 FBG 기반 센서가 소량의 유체 시스템에서 실시간으로 이중 매개변수 모니터링을 수행할 수 있음을 확인한다.