專利名稱：測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種測量技術領域的裝置，特別是一種測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置。
背景技術：
隨著激光技術的發展，激光傳感器在溶液濃度和吸收測量方面的應用取得了長足的進步。液體、氣體的溫度、吸收、濃度、組分等等特性，都與其折射率息息相關，上述這些特性發生變化時，都會引起其折射率發生相應的變化。通過表面等離子探測技術、泄露模波導探測技術等方法，可以對折射率的微小變化進行高靈敏度的檢測。這就使得對液體或氣體的溫度、吸收、濃度、組分等等特性的監測可以轉化為對其折射率的監測，并進而可以將折射率的微小變化轉化為放大的可被探測的光信號變化，從而解讀出待測液體中的相應變化。
經對現有技術的文獻檢索發現，美國專利號為6903815，名稱為用于葡萄糖測量的光波導傳感器——器件、系統及方法。該技術所涉及的器件是在左右兩個耦合光柵之間形成多膜層結構，其中，多膜層結構的第一層為襯底層；第二層為導波層，其折射率高于第一、三層；第三層為生化酶和試劑層，第四為多孔凝膠層；第五層為篩狀導電層(篩狀金屬膜層)。第四和第五層以及器件僅控制待測溶液中的待測成分進入第三層，并不實際參與傳感和測量過程。第一、二、三層中，第二層的折射率最高，兩邊次之，組成典型的光波導結構，其中，第二層為導波層，第一和第三層分別為上下包覆層。由入射耦合光柵耦合進該器件的偏振光在第二層中傳輸，部分滲入第一和第三層。經過該光波導傳輸的光信號由出射耦合光柵耦合出該器件，并由一個光強探測器接收和處理。當待測溶液中待測成分通過上述逆電離子滲入系統與第三層相接觸的時候，將會與第三層發生一系列生化反應，并改變第三層的折射率，從而導致了該光波導的傳輸特性發生改變，并進一步的引起其中傳輸的光信號發生變化。這一變化由出射耦合光柵處放置的光強探測裝置捕捉到。這樣就實現了通過檢測光信號來傳感待測溶液中葡萄糖濃度變化。但由于在這種結構中，樣本被放置在光波的迅衰場中(第三層)，在這一層里，光波的能量迅速衰減，光波與待測樣本的相互作用非常有限，這直接導致了這種方法的測量靈敏度雖然比現有的傳統方法要高一些，但難以在此基礎上進一步提高。

發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置。使其提出上層襯底-上層金屬膜-樣品腔-下層金屬膜-下層襯底結構，在此結構中，中間的樣品層折射率最高，上下兩層金屬膜，折射率較低；這樣，就將待測樣本置于波導結構的導波層中，極大的提高了測量的靈敏度。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括激光器、上層襯底、上層金屬膜、樣品腔、下層金屬膜、下層襯底、環形墊圈、導入導管、導出導管。上層襯底位于頂部，上層金屬膜附著在其下表面上；上層金屬膜之下緊貼著環形墊圈，環形墊圈之下緊貼著下層金屬膜，下層金屬膜附著在下層襯底上；上層襯底、上層金屬膜組成的結合體與下層襯底、下層金屬膜組成的結合體及兩者之間的環形墊圈組成三層夾心結構，其中，環形墊圈位于中間；環形墊圈內部被上層金屬膜和下層金屬膜封閉的部分即為樣品腔；上層金屬膜、樣品腔中的待測樣本和下層金屬膜組成波導結構，激光器輸出的激光束經過擴束及聚焦后形成聚焦光束入射到上述波導結構中，下層襯底和下層金屬膜上開有小孔，其中插入導入導管、導出導管，并連通樣品腔；待測樣本由導入導管導入樣品腔，由導出導管導出樣品腔。
上述裝置中，上下層金屬膜材料選擇銀、金、鋁、銅，要求其在光頻范圍內介電常數實部εr≤-8，介電常數虛部εi≤5.0；上層金屬膜的厚度在5nm～70nm之間，下層金屬膜厚度大于10nm；樣品腔的厚度由環形墊圈決定，在10μm～2mm之間；上層襯底材料為對于工作波長透明的介質，形狀為棱鏡、透鏡、厚度在1mm以下的平板中的一種；激光器的工作波長在560nm～1300nm范圍內選擇，激光器輸出的激光束經過擴束及聚焦后形成聚焦光束入射到上述波導結構中。
該裝置工作時，上層金屬膜、樣品腔中的待測樣本和下層金屬膜組成波導結構，其中，樣品腔中的待測樣本折射率最高，為導波層，上層金屬膜和下層金屬膜為覆蓋層。在上述波導結構的另一側檢測反射光斑，通過監測反射光斑中明暗條紋的變化，并將之與標準樣本的條紋作對比，就可實現檢測上述波導結構中樣品腔中待測液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率的變化。
在本發明波導結構中，中間一層材料的折射率最高，兩邊次之，中間的一層叫做導波層，兩邊稱為包覆層或覆蓋層。在這種結構中，光波以振蕩場形式在導波層中傳播，光波的能量集中在這里，與導波層介質的相互作用也最強。因此，如果將待測樣本置于波導的導波層中，就能顯著的提高探測的靈敏度。
激光光束聚焦入射到上述波導結構中，某個入射角度的光信號如果恰能滿足波導耦合條件，就會被耦合到波導結構中，而其他入射角度的光信號會被反射出來。并且，由于波導耦合條件具有準周期性的特征，這樣，入射光中就會有一系列角度的光被耦合到波導中，于是就會形成明暗相間的條紋狀反射光斑。導波層的折射率是決定波導耦合條件的主要因素之一，因此，當樣品腔中作為波導層的待測樣本的折射率發生微小變化時，波導耦合條件也會發生相應的變化，從而帶來反射光斑中明暗條紋的變化。而樣品層的折射率又與樣品腔中待測液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度和組分等特性密切相關，這就使得通過檢測明暗條紋的變化來對上述特性的變化進行測量成為可能。
本發明中，創造性的將待測樣本置于光波導結構的導波層中，并通過檢測反射光斑中明暗條紋的變化來對液體、氣體樣本的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化做出檢測，顯著的提高了探測的靈敏度；并且由于這種結構對于探測光的偏振特性不敏感，也降低了對于探測光路的要求。
本發明廣泛應用于多種液體或氣體的溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的測量，尤其是生化反應中實時濃度測量和反應過程檢測。本發明實現了高靈敏度、低消耗量、快速實時的測量。


圖1為本發明裝置結構示意圖具體實施方式
如圖1所示，結合附圖提供以下實例實例1上層襯底2位于頂部，選用玻璃平板，折射率為1.5，厚度為0.2mm；上層金屬膜3附著在其下表面上，厚度為5nm，；上層金屬膜之下緊貼著環形墊圈8，厚度為1mm；環形墊圈8之下緊貼著下層金屬膜5，下層金屬膜5厚度為10nm附著在下層襯底6上；上層襯底2、上層金屬膜3組成的結合體與下層襯底6、下層金屬膜5組成的結合體及兩者之間的環形墊圈8組成三層夾心結構，其中，環形墊圈8位于中間；環形墊圈8內部被上層金屬膜3和下層金屬膜5封閉的部分即為樣品腔4；厚度也是1mm；待測樣本由導入導管9導入樣品腔4，由導出導管10導出樣品腔4。上下層金屬膜材料采用金(560.0nm波長下ε＝-8.2+i1.79)，樣品采用純水，介電系數(折射率的平方)為1.77。
該裝置工作時，上層金屬膜3、樣品腔4中的待測樣本和下層金屬膜5組成波導結構，其中，樣品腔4中的待測樣本折射率最高，為導波層，上層金屬膜3和下層金屬膜4為覆蓋層。
入射的激光束1波長為560.0nm，擴束后聚焦入射到上述結構中，入射角為2°，反射光斑中出現明暗相間的條紋。
在上述波導結構的另一側檢測反射光斑7，并記錄其明暗條紋移動的角度。
根據計算表明對樣品介電系數(折射率的平方)的檢測可以達到2×10-6(明暗條紋移動0.632×10-3度)。樣品腔內不同樣品介電系數和明暗條紋的移動變化列在下表中。

實例2上層襯底2位于頂部，選用玻璃平板，折射率為1.5，厚度為1mm；上層金屬膜3附著在其下表面上，厚度為25nm，；上層金屬膜之下緊貼著環形墊圈8，厚度為2mm；環形墊圈8之下緊貼著下層金屬膜5，下層金屬膜5厚度為32nm附著在下層襯底6上；上層襯底2、上層金屬膜3組成的結合體與下層襯底6、下層金屬膜5組成的結合體及兩者之間的環形墊圈8組成三層夾心結構，其中，環形墊圈8位于中間；環形墊圈8內部被上層金屬膜3和下層金屬膜5封閉的部分即為樣品腔4；厚度也是2mm；待測樣本由導入導管9導入樣品腔4，由導出導管10導出樣品腔4。上下層金屬膜材料采用金(690.0nm波長下ε＝-14.4+i1.22)，樣品采用空氣，介電系數(折射率的平方)為1.00。
該裝置工作時，上層金屬膜3、樣品腔4中的待測樣本和下層金屬膜5組成波導結構，其中，樣品腔4中的待測樣本折射率最高，為導波層，上層金屬膜3和下層金屬膜4為覆蓋層。
入射的激光束1波長為560.0nm，擴束后聚焦入射到上述結構中，入射角為2°，反射光斑中出現明暗相間的條紋。
在上述波導結構的另一側檢測反射光斑7，并記錄其明暗條紋移動的角度。
根據計算表明對樣品介電系數(折射率的平方)的檢測可以達到1×10-6(明暗條紋移動0.775×10-3度)。樣品腔內不同樣品介電系數和明暗條紋的移動變化列在下表中。

實例3上層襯底2位于頂部，選用玻璃棱鏡，折射率為1.8；上層金屬膜3附著在其下表面上，厚度為60nm，；上層金屬膜之下緊貼著環形墊圈8，厚度為10μm；環形墊圈8之下緊貼著下層金屬膜5，下層金屬膜5厚度為90nm附著在下層襯底6上；上層襯底2、上層金屬膜3組成的結合體與下層襯底6、下層金屬膜5組成的結合體及兩者之間的環形墊圈8組成三層夾心結構，其中，環形墊圈8位于中間；環形墊圈8內部被上層金屬膜3和下層金屬膜5封閉的部分即為樣品腔4；厚度也是10μm；待測樣本由導入導管9導入樣品腔4，由導出導管10導出樣品腔4。上下層金屬膜材料采用金(1300.0nm波長下ε＝-67.9+i6.6)，樣品采用純水，介電系數(折射率的平方)為1.77。
該裝置工作時，上層金屬膜3、樣品腔4中的待測樣本和下層金屬膜5組成波導結構，其中，樣品腔4中的待測樣本折射率最高，為導波層，上層金屬膜3和下層金屬膜4為覆蓋層。
入射的激光束1波長為1300.0nm，擴束后聚焦入射到上述結構中，入射角為30°，反射光斑中出現明暗相間的條紋。
在上述波導結構的另一側檢測反射光斑7，并記錄其明暗條紋移動的角度。
根據計算表明對樣品介電系數(折射率的平方)的檢測可以達到2×10-5(明暗條紋移動0.402×10-3度)。樣品腔內不同樣品介電系數和明暗條紋的移動變化列在下表中。

權利要求
1.一種測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，包括激光器(1)、上層襯底(2)、上層金屬膜(3)、樣品腔(4)、下層金屬膜(5)、下層襯底(6)、環形墊圈(8)、導入導管(9)、導出導管(10)，其特征在于，上層襯底(2)位于頂部，上層金屬膜(3)附著在其下表面上，上層金屬膜之下緊貼著環形墊圈(8)，環形墊圈(8)之下緊貼著下層金屬膜(5)，下層金屬膜(5)附著在下層襯底(6)上，上層襯底(2)、上層金屬膜(3)組成的結合體與下層襯底(6)、下層金屬膜(5)組成的結合體及兩者之間的環形墊圈(8)組成三層夾心結構，其中，環形墊圈(8)位于中間，環形墊圈(8)內部被上層金屬膜(3)和下層金屬膜(5)封閉的部分即為樣品腔(4)，上層金屬膜(3)、樣品腔(4)中的待測樣本和下層金屬膜(5)組成波導結構，激光器(1)輸出的激光束經過擴束及聚焦后形成聚焦光束入射到該波導結構中，下層襯底(6)和下層金屬膜(5)上開有小孔，其中插入導入導管(9)、導出導管(10)，連通樣品腔(4)。
2.根據權利要求1所述的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，上下層金屬膜(3、5)材料選擇銀、金、鋁、銅，其在光頻范圍內介電常數實部εr≤-8，介電常數虛部εi≤5.0。
3.根據權利要求1或者2所述的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，上層金屬膜(3)的厚度在5nm～70nm之間。
4.根據權利要求1或者2所述的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，下層金屬膜(5)厚度大于10nm。
5.根據權利要求1所述的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，樣品腔(4)的厚度由環形墊圈(8)決定，在10μm～2mm之間。
6.根據權利要求1所述的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，上層襯底(2)材料為對于工作波長透明的介質，形狀為棱鏡、透鏡、厚度在1mm以下平板中的一種。
7.根據權利要求1所述的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，激光器(1)的工作波長在560nm～1300nm范圍內。
8.根據權利要求1所述的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，其特征是，上層金屬膜(3)、樣品腔(4)中的待測樣本和下層金屬膜(5)組成波導結構，其中，樣品腔(4)中的待測樣本折射率最高，為導波層，上層金屬膜(3)和下層金屬膜(4)為覆蓋層。
全文摘要
一種測量技術領域的測量氣液體溫度、吸收、濃度、組分和折射率變化的裝置，上層襯底位于頂部，上層金屬膜附著在其下表面上；上層金屬膜之下緊貼著環形墊圈，環形墊圈之下緊貼著下層金屬膜，下層金屬膜附著在下層襯底上；上層襯底、上層金屬膜組成的結合體與下層襯底、下層金屬膜組成的結合體及兩者之間的環形墊圈組成三層夾心結構，環形墊圈內部被上層金屬膜和下層金屬膜封閉的部分即為樣品腔；上層金屬膜、樣品腔中的待測樣本和下層金屬膜組成波導結構，激光器輸出的激光束入射到上述波導結構中，待測樣本由導入導管導入樣品腔，由導出導管導出樣品腔。本發明靈敏度高、消耗量低、實時測量，尤其是生化反應中的實時濃度和反應過程檢測。
文檔編號G01N21/41GK1758049SQ20051003076
公開日2006年4月12日 申請日期2005年10月27日 優先權日2005年10月27日
發明者陳洸, 曹莊琪, 顧江華, 沈啟舜 申請人:上海交通大學