基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵制造技术

本发明专利技术提供了一种基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵。其特征为，该光热微泵由一段经微加工处理过的环形芯毛细管光纤和光源组成。该毛细管光纤的两端经过加热熔缩，环形光纤芯通过加热收缩变细，使毛细孔塌缩闭合，分别形成两个实心的光波通道，从而成为与外部能量光源相互连接的光接口。两端光接口中间形成一段密闭空气微腔，采用侧面飞秒打孔技术在光纤外表面加工制作微流物质微孔通道，根据需要排布和分配微孔，明确进入口和排出口的位置和个数。这种能用于微流控芯片的毛细管光纤光热微泵制备简单，一致性好，便于嵌入在芯片中，与光源连接方便快捷，适合规模化大批量生产。

【技术实现步骤摘要】
基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵(一)
本专利技术涉及一种基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵，便于嵌入进微流控芯片中，同样在微米尺度操作微量液体中可以代替微量注射泵和微流蠕动泵等大尺寸进样设备，为微流控芯片在化学、生物、医药等领域高通量分析及检测的外围控制设备提供了一种便捷的方法，属于光流控
(二)
技术介绍
微流控技术(Microfluidics或Lab-on-a-chip)指的是使用几十微米或数百微米的微通道处理或操纵微小流体的系统。微流控技术经过几十年的发展，已经成为一门涉及化学、流体物理、光学、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。由于微流控芯片中的样品体积小，检测光程短，灵敏度高、响应时间快、功耗低的光学检测器和新型检测方法对于微流控技术向实用化发展至关重要，并且无论是生物检测、药物测试，还是化学分析、环境监测，需要微升级液体的系统越来越多。微流系统中除了芯片为主要的技术集成单元，还需要很多其他外围设备，如进样设备、流体驱动控制设备、温度控制和检测控制等单元，这些设备进而再与具备不同用途的微流控芯片单元连接，完成功能需求。现如今已存在的与光纤相结合的微流控芯片及应用包括：光纤型微流控电泳芯片【苏波等，光纤型微流控电泳芯片的研制。测控技术，2005，24(11)：5-8】，该芯片实现了在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上制作深度不同的微流控沟道和光纤沟道，使光纤与微流控沟道能够方便地对准。还有一种是内嵌光纤型微流控芯片【金永龙等，基于准分子激光加工技术的内嵌光纤型微流控器件的制备。中国激光，2008，35(11)：1821-1824】，其制备方法是利用248nm的KrF准分子激光在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片上进行微加工，构建芯片结构，并嵌入腐蚀过的直径35μm的单模光纤，从而形成内嵌光纤型芯片。这两种均是传统微流控芯片结合光纤实现的，除此之外，也可以将带有空气孔的特种光纤作为芯片微通道的一部分，如直接利用中空光子晶体光纤的中空光学通道作为微流物质通道【江超，飞秒激光脉冲精密制作微流光纤器件及其应用。激光杂志，2009，30(5)：6-8】。这种微流测量器件的工作原理是基于光纤中传输的光场直接与微流物质相互作用，从而改变光纤中光波的特性。也有通过某些加工技术对光纤进行微加工处理，近而达到微流控芯片的功能。例如利用飞秒激光辅助加工的方法也可以在单模光纤中加工出平行于纤芯的微流通道，从而制成了一种能够应用于液体折射率传感的新型光纤微流体器件【李翔，光纤微流体器件的飞秒激光制备及液体折射率传感。哈尔滨工业大学，2013；孙慧慧，光纤内马赫泽德干涉微腔的飞秒激光制备及温盐传感特性。哈尔滨工业大学，2015】，这种微流体器件具有耐高温特性，液体在微流通道内部流动，避免被测液体与外界接触，具有很强的抗干扰能力。专利CN106582903提出了一种光热波导的微流控芯片，该光热波导浸没在长方体的微流室底部，并且微流室的长宽高一定，光波导表面涂有导热性能的纳米材料，流体流动强度和光功率成正相关关系。在以上这几种与光纤有关的微流系统中，进样液体往往需要被驱动、控制或者进行各种各样的操作，均未用及光纤中的光热效应特性。以上微流系统中，进样方式依然需要连接微泵，如蠕动泵或微流注射器等大体积外围设备。微泵是微流控系统中的重要组成部分，其主要作用是传输液流和分配液流，可分为机械式微泵和非机械式微泵。机械式微泵依靠机械运动部件来传输、控制微流体，而非机械式微泵则是依靠各种物理作用或效应将某种非机械能转变为微流体的动能，实现微流体的驱动。机械式微泵主要有压电式、静电式、电磁式、气动式等驱动方式，这类微泵通常制造工艺较复杂、成本高、消耗功率大、长期工作的可靠性较差，且难以集成。非机械式微泵主要有电渗式、表面张力式、磁流体式和热气泡式等驱动方式，这类微泵在制作工艺和可靠性方面具有一定优势，且不会出现机械式微泵长期工作情况下的膜形变、疲劳等问题，但这类微泵需要复杂的驱动电路或设备，这些外加部件往往增加了系统的复杂性，降低了系统的便携性，从而限制了微流体系统的应用。为了能进一步提高微流控芯片的集成度和小型化，克服上述在先进技术中的缺点和不足，本专利技术给出了一种基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵，这种能用于微流控芯片的毛细管光纤光热微泵制备简单，一致性好，便于嵌在芯片中，适合规模化大批量生产。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种在微米尺度操作微量液体时可以代替微流控芯片外围大尺寸进样设备的光热微泵。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵。其主要特征为，该微泵由图1所示的环形芯毛细管光纤制作加工而成。该毛细管光纤的两端经过加热熔缩，使毛细孔被塌缩闭合，分别形成两个实心的光波通道2-1，从而成为与外部能量光源相互连接的光接口。两端光接口中间形成一段密闭空气微腔2-2，采用侧面飞秒打孔技术在光纤外表面加工制作微流物质微孔通道，根据需要排布和分配微孔，明确进入口和排出口的位置和个数。基于该微泵的发生原理，把近光接口的微孔作为微流液体进入口2-3，远光接口的微孔作为微流液体的排出口2-4，如图2所示。为了实现微流控芯片中微泵的功能，塌缩成实心光波通道的纤芯和外部光源相连接，当毛细管光纤被注入光能后，光沿着环形芯传播，当光纤中的空气孔充满液体时，光纤纤芯内壁与液体充分接触，光能转化为被液体吸收的热能进而转化为动能，推动液体前进。被加热的液体被快速推进至微流控芯片的微通道内后，微泵腔内压力减小，且小于外界大气压，该光热微泵外的液体通过刻蚀的微流物质微孔通道进入到微泵的腔内，如此只需在微流控芯片外加待测液体即可，无需再额外连接其他外围设备。具体原理如下：众所周知，光是电磁波的一种，该光热微泵所连接的光源提供的光能量即为电磁波，并通过环形芯表面放射出来，由于纤芯内壁与微流液体直接接触，这种电磁波在纤芯中传递并再次到达微流液体转换成内能，当光源能量越强时，纤芯的温度就随之越高，放射性能量也就越大。所以该微泵是通过电磁波的形式从高温物体(光纤芯)向低温物体(微流液体)进行热量传递的。那么微流液体又是如何被推进芯片的微流通道的呢？可以简单理解为微泵内同时发生了两种对流传热现象，使得微流液体内的分子内能增大，加速运动，促使了微泵腔内的微流液体被推进芯片的微流通道的这一现象发生。第一种对流传热现象是：在高温物体(环形芯内壁表面)被加热后的流体向低温物体(微泵中心液体)移动的传热方式为对流传热，若物体表面上的流体是静止的，那么物体表面与流体之间也会通过热传导来传递热量。也就是说，对流传热是基于热传导和流体的流动(即对流)所进行的热量传递。第二种对流传热现象是：该毛细管光纤光热微泵腔内被加热后的微流液体和已经进入到芯片微流通道内温度略低的微流液体之间的热量传递方式属于对流传热，并且这种流体升温后，液体密度发生改变，进而产生对流，发生自由对流现象。若注入光热微泵的光强一定，且能量稳定，假设毛细管光纤的纤芯温度为T1、表面积为A，周围有温度为T2的流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵。其主要特征为，该微泵由环形芯毛细管光纤制作加工而成。该毛细管光纤的两端经过加热熔缩，使毛细孔被塌缩闭合，分别形成两个实心的光波通道2-1，从而成为与外部能量光源相互连接的光接口。两端光接口中间形成一段密闭空气微腔2-2，采用侧面飞秒打孔技术在光纤外表面加工制作微流物质微孔通道，根据需要排布和分配微孔，明确进入口和排出口的位置和个数。基于该微泵的发生原理，把近光接口的微孔作为微流液体进入口2-3，远光接口的微孔作为微流液体的排出口2-4。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵。其主要特征为，该微泵由环形芯毛细管光纤制作加工而成。该毛细管光纤的两端经过加热熔缩，使毛细孔被塌缩闭合，分别形成两个实心的光波通道2-1，从而成为与外部能量光源相互连接的光接口。两端光接口中间形成一段密闭空气微腔2-2，采用侧面飞秒打孔技术在光纤外表面加工制作微流物质微孔通道，根据需要排布和分配微孔，明确进入口和排出口的位置和个数。基于该微泵的发生原理，把近光接口的微孔作为微流液体进入口2-3，远光接口的微孔作为微流液体的排出口2-4。


2.根据权利要求1所述的一种基于环形芯毛细管光纤的微腔型光热微泵。该光热微泵可以具有多个微流物质微孔进入口和排出口通道结构的微泵器件，其特征在于在毛细管光纤的表面的微流物质微孔通道的个数m(m>2)，微孔通道个数的增加无论对微流液体进入微泵或是被微泵推进...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑婷婷，张晓彤，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45