[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种微流控平台，集成商用光纤布拉格光栅（FBGs），用于在微升量级流体中实现温度和压力的同步、实时测量。嵌入在简单、低成本微流控芯片中的FBGs对热变化和机械变化表现出高灵敏度，适用于微升量级量热法和微流速计量学，分辨率可达亚毫开尔文和亚千帕。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、易于制造的微流控平台，用于集成光学传感流体特性。
• 利用商用FBGs实现在小体积流体中温度和压力的实时、动态测量。
• 证明在微流控环境中使用FBGs作为双参数传感器的可行性。
• 支持新兴的微尺度量热法和微流速计量学应用。
• 在微流控通道中不同热力和压力条件下验证传感器的灵敏度和稳定性。

提出的方法

• 将商用光纤布拉格光栅（FBGs）嵌入使用标准软印刷技术制造的微流控器件中。
• 微流控芯片设计为使流体通道与FBG对齐，以确保直接的热力和机械耦合。
• 通过实验诱导温度和压力变化，并使用光学解调系统实时监测布喇格波长的偏移。
• 利用受控的热源和压力源对FBG的波长响应进行温度和压力校准。
• 在微升量级流体体积中测试系统，以评估灵敏度和响应时间。
• 通过测量单位温度或压力变化引起的波长偏移来量化灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 商用FBGs能否有效集成到低成本、易于制造的微流控器件中，实现双温度和压力传感？
• RQ2 基于FBG的传感器在微升量级流体体积中对温度和压力变化的灵敏度如何？
• RQ3 在微流控环境中的动态热力和压力条件下，FBG测量的稳定性和重复性如何？
• RQ4 该传感器能否分辨出与微量热法和微流速计量学应用相关的微小温度和压力变化？
• RQ5 嵌入式FBG在流体环境中的响应时间和运行稳定性如何？

主要发现

• FBG传感器表现出约10 pm/°C的温度灵敏度，适用于微流控系统中亚毫开尔文分辨率。
• 传感器表现出约1.5 pm/kPa的压力灵敏度，可实现微尺度压力测量的亚千帕分辨率。
• 系统在多次热力和压力循环中实现了稳定且可重复的测量，表明在动态流体环境中具有鲁棒性。
• 微流控芯片设计实现了流体与FBG之间有效的热力和机械耦合，确保了物理参数的准确转换。
• 将现成的FBGs集成到简单的微流控平台中，无需复杂制造或封装即可实现高精度传感。
• 结果证实了基于FBG的传感器在小体积流体系统中实现实时双参数监测的可行性。