平面布喇格光栅Sensors-Fabrication和应用程序:一个回顾

文摘

我们讨论的背景和技术平面布喇格光栅传感器,回顾他们的发展和描述的最新发展。物理工作原理进行了讨论,相关设备操作用户的需求。最近这类设备包括一个平面布喇格光栅传感器的性能设计使折射率分辨率? RIU和温度分辨率。这个传感器设计纳入工业化应用程序允许传感器用于实时传感在本质安全,高压管道,或插入探针应用,如发酵。初始数据展示的能力确定溶剂和监控提出了长期的工业过程。简要回顾技术用于制造传感器的连同技术提供的灵活性的例子。

1。介绍

广泛的光学传感技术存在受到密集的发展由于数量的驱动因素。过程控制和自动化领域的举个例子,有一个渴望实时监测浓度和成分没有破坏或污染高价值产品的风险。为这样的应用程序通常发生在不稳定或易燃环境中spark-free或本质安全技术是一个先决条件。虽然有许多领域不同的动机和传感要求,他们在许多方面有着共同的目标,快速,准确,安全检测在有害的环境中。

现有的审查论文讨论广泛的光学传感技术(1),使用一个集成的动机光学格式兼容的微流体(2]。在本文中,我们专注于评估结果平面布喇格光栅传感器是最近添加的字段和提供有吸引力的优势。

的详细描述各种不同的技术和技术可以从泛型类的“光学传感器”将形成一个广泛的审查和可能包括大量的应用程序从粒子计数到振动检测。因此各种光学传感器技术可能在大数量的分割方式,但它有助于区分传感器的光线并不身体进入被测变量的材料(如布喇格光栅传感器应变)和传感器的光场进入被测变量。在本文中,我们关心的是后者类型的设备。这是进一步有用的考虑的意思是光相互作用;这可能是通过被测变量的折射率或通过吸收或其他能量交换与被测变量的交互。在这个意义上我们可以选择描述两种类型的光相互作用的线性性质的材料通过一个复杂的折射率(),是真正的在特定波长和指数吗?代表了吸收。当然,有非线性相互作用,如拉曼效应超出本文的范围。

通过考虑复杂的折射率我们可以选择分类技术为那些利用虚部(吸收光谱等),和那些利用索引的实部(量测折射法等)。在这些方面,我们看到,吸收光谱可以被视为调查()随波长。然而,在本文中,我们感兴趣的主要是那些技术,利用被测变量的折射率特性,尤其是技术的光传感器和被测变量的交互修改的模态特性。模态情况熟悉光纤中模式代表了解决电磁传播的法律是沿着一个不变的折射率结构常数形式。这个模态概念不同于折射率特性(如使用折射计)的光传播实际上是自由空间和折射出现在一系列离散的边界。因此从巨大的各种传感器技术我们领导首先要考虑那些主要意义折射率的实部,然后专门研究这些技术在模态交互使用。

在这个类别的模态设备最熟悉的设备利用表面等离子体共振(3),并提供完善的技术(4,5]。这种等离子体设备建立在文学;最近这本书等离子的麦尔(6提供了丰富的信息。Plasmon-based传感器被用在许多商业工具由公司如Biacore,若仪器公司,Sensata, ICx游牧。在等离子体类型传感器光传播和模态特性强烈依赖于薄膜的性质的金属导体(最常见的是黄金),属性被修改的模态耦合周围介质的折射率(被测变量)。

SPR传感器相比,该类型的设备使用的介质波导中没有金属元素和模态的属性是由波导的折射率的实部和被测变量。最熟悉的格式这样的装置是一个光纤传感器。可以找到最近的一个评论文章(7涵盖整个光纤传感领域。在本文我们特别感兴趣的设备所指导发生全内反射高指数的核心,而波导结构允许光与被测变量交互处理液。这种相互作用导致光程的变化,可以感觉到在很多方面但通常要么是干涉或通过改变光栅结构的反应。最近,研究人员开始利用平面集成的优点,以允许增强功能设备制造微流体和多个传感器元素可以合并成一个单一的设备。这些设备有一个共同的物理工作原理,在他们所有的操作通过介质波导的传播模式是允许部分与被测变量交互,以及光程变化相关的交互来衡量。例如工作通过Heideman et al。8)描述了马赫曾德耳传感器的操作措施边缘干涉仪输出的变化;相比早期作品由Tiefenthaler [9)用表面光栅测量平面波导吸水。最近工作由施罗德et al。10)展示了多个光栅波长不同的操作可用于测量和修正温度变化以及获取信息与波长的变化折射;然而,这个设备使用side-polished纤维嵌在一块,这不是简单的制造。

相对较少的布拉格grating-based设备被认为是平面形式和实现。他们一直在等各种不同的物质平台在聚合物11- - - - - -14],溶胶-凝胶法系统[15),绝缘体SOI (16,17),铌酸锂(18],Silica-on-Silicon [19,20.]。

Bragg-based波导和光栅结构的光学传感器已经用许多方法制作的领先与脊波导传感元素(21),紫外写入波导和光栅19,20.),波纹/蚀刻布拉格光栅[22,23),甚至布拉格光栅通过选择性沉淀纳米粒子的24]。

但是数量非常有限的设计在商业化方面被证明是可行的。最近,Stratophase有限公司商业化直接紫外写作技术后原来的发展在南安普顿大学的19,20.]。该方法允许波导、光栅平面基板上的铭文。这种技术得到的好处平面集成和易用性也应用微流体和利用电信级单模光纤组件和测量技术允许为巨大的折射率灵敏度的同时利用温度补偿的优势首先证明了施罗德et al。10]。

继续考虑的物理机制,在这里介绍的工作,也许最广泛使用的工具的台式折射计样本处理步骤分析在实验室确定溶液的浓度或糖,酒精或溶剂。内联变异的这种风格的设备已经开始到达市场近年来,离线测量可以替换为行或内联测量为了节省时间,金钱和减少安全和污染问题。这些工具通常需要一个电信号的测量可以在动荡的环境中存在问题需要本质安全设备爆炸的风险降到最低。

介绍了审查的最新进展进行了光学传感器的发展,已经被证明是适合上述应用领域。传感器,一个隐失波装置基于平面光栅,既提供了所需的灵敏度进行浓度测量和过程监控,也适合工业环境中健壮和可靠的设备必须安装。所有光学测量意味着没有点火的风险,使技术非常适用于不稳定的环境。此外,由于使用的基本原则是相同的电信领域,多个设备可能是网络化和多路复用非常大的距离。多种设备位于单独的和遥远的位置可以很容易地从一个监测分析基站方便最大化和成本最小化。

描述了传感技术,制造技术的概述及其有利的特性。这是紧随其后的分析设备对折射率和温度敏感性。完成演示两个工业应用的例子。

2。背景

这里讨论的传感器的核心技术是布拉格光栅的结构已经知道了几十年,一直被认定为有潜力作为传感元件。最普遍采用在光纤布拉格光栅反射光学波长根据以下关系: 在哪里是最大的布喇格波长反射率发生。提供一段定义了光栅的折射率调制。波导的有效折射率,包含了布拉格光栅,是一个组合的核心和包层折射率光学模式与之交互。

从这个方程可以看出,围绕布喇格光栅的材料变化,有效折射率的变化会导致反射波长的转变。这种形式的基础上使用布喇格光栅传感器和概念上,如图所示1。

列出的具体设备,将在随后的讨论中使用紫外线技术写作。这种方法非常灵活和高度精制的创建和postfabrication修剪(25的光学设备适合,在其他应用程序中,电信行业。

这里描述的传感器组合使用一个独特的扩展到紫外线写作技术被称为直接写光栅同时创建一个波导布拉格光栅平面衬底。

早期作品的紫外线写底物转化为液体传感器提出了示威活动的使用可调滤波器和折射计。虽然这早期的工作亮点为这些设备的一些机会,起初发展水平并不适合对完整的商业开发。

这样的平面布喇格光栅设备呼吁传感的应用程序有几个原因。

(1)多个波长可以通过旋光色散测量提供分析物识别的可能性,也提供一系列隐失场渗透深度可能提供额外的信息维的生物实体。(2)多个独立的感应区域可能被整合到一个传感器芯片。这可能是一个优势特别是immunoassay-based biodetection有利的地方同时测试多个不同的目标而不需要重复的设备或时间延迟。(3)单片硅芯片设计是健壮的,不需要电信号,耐多种化学品,因此适合在各种环境中部署。

为了得到最大可能的性能从布拉格传感器光学审讯方法是至关重要的。许多工业应用程序需要多个测量每天24小时,所以相对较高的资本成本可以被容忍的成本是共享的。对于高端性能审讯可以出现在一个相对较高的财务成本虽然技术进步和商业竞争提供强有力的推动降低成本。另外,本文提供的设备被设计成在电信运营波长乐队。这样可以有传感器定位在几公里距离光学来源。更有利的是,来自多个传感器的信号在不同的位置可能是多路复用以这样一种方式,有许多传感器由一个读出所有监控单元。因此每个传感器的成本,通常比总成本更重要,也大大减少了。此外,每个成本测量更低,因为机会合并多个传感区域在一个芯片上。

除了有可能整合与审讯系统部署传感元件,例如,布拉格光栅或排列波导光栅(26- - - - - -28)在同一芯片,技术高度兼容的和现成的Silica-on-Silicon平台。这个组合可能导致紧凑和独立的传感系统。

3所示。制造的传感器

3.1。紫外线写作

在方法类似于之前的工作(29日),如图2布拉格光栅和波导写进三层硅硅衬底上使用DGW技术。

紫外线写作过程利用锗掺杂二氧化硅的光敏性。在244年曝光的石英紫外线吗?纳米引起折射率的增加。三层样品所使用的火焰水解硅沉积,沉积到硅衬底。中间一层掺杂锗提供可能暴露于紫外线感光层提高折射率。

高压氢气使用加载的方法提高光敏反应立即在紫外线照射。类似的技术用于光纤布喇格光栅的制作之前,紫外线照射光栅铭文。平面样本被放置成氢在120酒吧三天为了让氢扩散到玻璃层,也就是说,作为波导核心。氢后装入芯片可能会让很多天之前在干冰紫外线写作。一旦从冷藏他们可能保持在室温超过前一小时out-diffusion氢成为一个重要问题。的初始out-diffusion氢会导致轻微的布喇格波长的变化由于光敏性随着时间的减少。这可能是补偿控制紫外线写作过程如果需要。然而在这个应用程序中没有紫外线写作过程决定对折射率的敏感性。它实际上是后期处理阶段的腐蚀和覆盖层携带沉积中描述的部分3决定整体性能。因此长时间紫外线写作可能被使用,和复杂的结构可能写不需要任何特别的预防措施。

控制,局部照射硅具有足够高的影响氢加载后允许创建定义良好的波导结构。工作报告,倍频氩离子激光用于产生的紫外线光束照射。束条件,集中到5微米直径在一个固定的位置。样品的紫外线写安装在空气轴承翻译阶段,允许三维运动的光敏基质空间分辨率比10 ? nm。

创建一个波导的最直接的方法就是翻译样本以恒定速度下紫外线梁在恒功率。然而,允许光波在波导布拉格光栅和铭文扩展这个简单的安排。用分束器和仔细定位反映创建一个干涉仪的紫外线光束重组创建一个干涉图样。这种模式,当光敏样本事件,将创建一个对应的芯层折射率调制。干涉图样的周期将是530 ?海里,一段当结合芯层的折射率可以用来创建一个布拉格光栅反射在1550 ? nm。

对面的干涉图样不能简单地翻译示例创建一个布喇格光栅。实际上,静态接触将创建一个非常短的几个光栅布拉格光栅平面的长度。然而,在翻译这个样品折射率调制将“抹”的方向翻译。这破坏了周期性的折射率调制导致折射率均匀增加。因此,翻译下面的样品连续紫外线导致未调制的波导的形成。创建、布拉格光栅紫外线光束必须调制下的样本翻译紫外线光束。监控样品的位置,因为它是翻译并简要打开紫外线光束每次样品已经由一个光栅周期引起的模式折射率调制反复写入示例。这发生在这样一种方式,每个模式的转变是一相对于前一个时期。换句话说,翻译是一个样品的布喇格光栅写入示例。改变从布拉格光栅波导紫外线光束只是返回昔日nonmodulating状态。 In this way, a single process may be used to write both waveguides and Bragg gratings into a sample in a single but highly flexible process. Accurate control of the UV switching is achieved by using the high precision position information from the translation stages to drive an acousto-optic modulator.

3.2。光栅参数

参数的数量可能是为了控制裁缝布拉格光栅和波导。紫外线写作的主要因素是用来写波导光栅结构的影响。具有较高的紫外线能力(或更低的翻译速度)给出了一个更高的影响,导致更大的折射率的变化。

翻译速度和速率之间的关系的紫外线光束调制中扮演一个重要的角色在布喇格结构的创建。责任周期的变化可以用来控制布喇格光栅的强度。工作周期指的是打开的时间百分比紫外线光束在写作的过程中布喇格光栅。以前,紫外线光束的调制而样本翻译进行了探讨。这个灯的时间的百分比布拉格时期给出了工作周期。导致100%的工作周期波导没有折射率调制而导致0%的工作周期没有任何折射率变化被写进样例。

它是可取的布拉格光栅的平均折射率接近,如果不相同,波导光栅的两端。尽管紫外线能力和诱导折射率变化之间的联系并不是完全线性的,结束近似积分通量和责任周期可用于索引匹配波导和光栅很简单。光栅用50%的占空比与给定紫外线光束下紫外线能力必须翻译速度的一半用于波导写相同的权力。这给了相同的影响,因此大约相同的平均折射率光栅和波导。同样90%的工作周期光栅将翻译波导翻译速度的90%”两种结构影响匹配”。这个简单的关系是有可能的,因为波导和光栅写入一个“空白”衬底,事先不存在波导。在光纤布拉格光栅的情况下这是稍微不同的光栅被添加到一个已存在的波导,所以波导和光纤的平均指数不能是相同的,除非特殊的额外步骤。

工作周期也可以用来改变布喇格光栅的强度。一般来说,更高的工作周期的结果在一个较低的对比光栅平面导致更多的反应比写更窄的带宽较低的占空比。

额外程度的灵活性可能通过调节紫外线光束的速度略微不同的固有周期紫外线强度调制。多个紫外曝光的累积效应用于创建一个光栅产生光栅周期,等于暴露之间的时期,而不是内在的干涉图样。(30.]。这样,光栅可能跨越数百纳米写使用完全相同的过程。

紫外线的写作流程的优化使得波导光栅生产的一个非常灵活的技术开发。使用专门开发的软件包时它变成一个简单的问题来创建脚本加载到紫外线书写系统可以产生直接和弯曲波导在多个波长在一个复杂的光栅结构的过程。定制的波导和光栅的设计不仅可以快速创建不需要昂贵的阶段面具也不需要干净的房间设施,使整体基础设施需求低。

光栅光谱的一些例子,可以使用下面这个过程有写的。创建的所有建筑都是使用相同的专有软件包创建所需的光栅响应。

图3比较简单的制服与另一光栅的光栅类似的属性,但apodised使用余弦平方函数。减少旁瓣是明确虽然牺牲一个稍微更广泛的反射峰值。

随着光栅写的方式接近飞机乘飞机,实现高水平的控制是直接沿着其长度的光栅结构。例如,相移可能被插入为了实现大幅倾斜反射反应可能在某些情况下是有利的在确定的中心波长峰值。这样一个谱图所示4。

周期性间隔可以用于生成更复杂的相移光栅结构,提供多波长响应。图中给出了这样的一个例子5的上层建筑,这是一个演示光栅提供超过15可能用于传感波长在130 ?纳米波长。这个光栅,仅为4 ?毫米长,打开了机会测量折射率在足够宽范围允许分散来描述,因此材料指纹。

这种方法可以延长,如图6,使用多个上层建筑光栅交错,它们允许更大的谱密度的测量执行从一个紧凑的设备,再到一个单个步骤写在设备尺寸是毫米。

利用光纤布喇格光栅的技术应该是可能的,如果需要,完全控制布喇格光栅的光谱特性通过使用新颖的设计策略用于纤维(31日),然后通过DGW制造技术实现它们。这种优势进一步给这个特殊的平面平台灵活开发定制purpose-oriented传感器结合在一个紧凑的集成形式。

3.3。创建一个传感器

在他们编写状态,紫外线书面样本本质敏感温度或压力,可以作为传感器的方式与广泛应用于光纤传感(7]。利用平面几何的优点这个温度传感能力可以结合多个液体折射率传感区域。转换为传感器使用相对简单的原则。光栅的布喇格波长是由波导的有效折射率结构光栅的定义。换句话说波导芯和包层的折射率相结合发挥关键作用在设定的波长或波长布喇格光栅操作。如果我们删除上包层和换成别的,布拉格波长的有效折射率,从而改变了。通过这种方式,设备现在可以制成一个传感器。液体,用于替换上包层附近的布喇格光栅布喇格波长将控制。随着液体的性质变化,所以布喇格波长的变化。

包覆在使用湿法腐蚀传感器光栅被移除。腐蚀剂是交付给硅表面使用微流体流动细胞化学可以只接触到领域的芯片在蚀刻是必需的。布拉格的反应是整个腐蚀过程监控,确保腐蚀可以继续进行,直到足够深,确保覆盖被删除,但是,这是之前停止响应被切除波导核心退化。温度测量光栅剩下未侵蚀,这样他们免疫任何液体的折射率的变化上面。

蚀刻后,光的穿透深度模式的液体分析物相对较低。进一步扩展渗透,高指数覆盖物可以应用于蚀刻表面(32]。这提升光学模式的影响对分析物,导致更高的穿透深度和更大的折射率灵敏度。一系列的方法和材料可以用来实现这种效果取决于所需的上表面材料和所需的折射率灵敏度。迄今为止利用了材料,包括硅、氮化硅、氧氮化硅,氟化聚合物,二氧化钛,氧化锆和氧化铝。不同的材料都需要不同的处理步骤和结果在不同的终端产品。

执行测量蚀刻和覆盖物芯片梳辫子的使用单模光纤和光学光谱得到使用商用布拉格光栅审讯人员。

图7显示了一个典型的传感器芯片制造后的照片但在光纤辫子。蚀刻窗口包含传感区域可以被看作是一个小椭圆形右边的芯片。温度测量光栅是嵌入在芯片的左边。

腐蚀的过程应该注意的是,芯片,然后添加一个高指数覆盖物带来了一个非常高水平的双折射的布拉格光栅部分设备。在许多应用程序中这将是不可接受的,因为它会造成大量的偏振依赖性。在这里,TE和TM模式的效果足够大可以独立解决。这意味着,而不是要求偏振控制获得可靠的操作方式,更简单的使用一个unpolarised光学来源的路线可以,如果需要,。

同样,虽然整体光学损失将在许多应用程序中必须是最小的,这里不那么受关注。关键是测量布喇格波长的变化尽可能准确地但这不是依赖反射的光功率。

4所示。折射率灵敏度

检测折射率变化的能力取决于两个关键方面当使用布拉格光栅设备。首先,最明显的是,布喇格波长的速率随折射率,内在传感器灵敏度,必须考虑。其次,分辨率和精度的布喇格波长可以确定必须考虑。

为了解决第一个注意事项,可能会生成一个简单的灵敏度曲线。这样的曲线如图8Cargille折射率液体在哪里使用的传感器芯片,由此而来的布喇格波长测量。必须指出的是,有一个非常轻微的不确定性在这个数据作为国际扶轮液体报589 ?在1550 nm,不是吗?这里使用纳米。由于材料色散,会有小但目前未知的RI值引用之间的抵消这个图和他们的真实值。

很容易看到,在折射率的1.30到1.40的布喇格波长变化大约15吗?海里,折射率的灵敏度特别高。这个设备的敏感性增加按预期更高的折射率(20.]。梯度折射率的灵敏度曲线提供了测量单位(RIUs) /纳米。1.31指数显示的灵敏度是92吗?RIU / nm上升到155 ?RIU / nm指数为1.36。曲线的上端所示给出了灵敏度的193 ?RIU / 1.39 nm的折射率。在分析物的折射率远高于1.40这个特殊装置停止作为波导。高指数的综合效应覆盖物和分析物的折射率意味着重要的模态发生不匹配的光蚀刻窗口区域,和所有的光学模式是输给了覆盖物和分析物与布拉格信号完全丧失的结果。

除了国际扶轮液体数据显示在图8,包括数据点与几种溶剂有关。这些数据点是通过简单地使用相关溶剂作为分析物传感器。布喇格波长测量允许溶剂数据点被插入到现有的国际扶轮曲线,测量国际扶轮的溶剂可以确定。明显的五个溶剂,即水,甲醇,丙酮,乙醇,异丙醇,都可以很容易解决,从而确定了布喇格波长的测量。这些液体是只有一小部分的液体可能以这种方式被监控。

第二个因素在确定折射率分辨率的测量技术。首先,必须获得一个光谱在一个容易操作的格式。在这个光谱必须识别和布喇格反射中心波长确定。布喇格光栅的审讯人员可以在一个现成的配置中,在波长在1500年和1600年之间通常操作?海里。审讯人员的稳定性和可重复性是明显重要的是可靠性的反射谱的中心波长测定。

使用一个简单的加权平均计算反射峰值测量既快捷又简单的中心波长可以。图9显示了这种计算的结果在一个布喇格反射从样本按前面描述的技术。芯片举行一个常数C使用PID温度控制器在一个稳定的环境,这样的布喇格波长峰值保持不变是不被允许外部变化。测量布喇格波长在一段时间内允许估计的稳定性和计算。

这些数据显示在图12分钟一节的波长变化最多0.7 ?点代表优秀的稳定性。每个数据点显示5秒的平均波长值得收集的数据从单一的布喇格反射峰值。引用的一个常见方法的稳定性数据集的标准偏差乘以三,计算提供了一个稳定的0.36 ?。

假设任何改变在波长大于0.36 ?点应该是最小波长的变化,可以解决这种组合的芯片,审讯者,和分析技术,我们可以确定折射率分辨率。图8允许对折射率测量193 ? RIU /纳米;所以波长分辨率为0.36点我们获得一个折射率分辨率只有1.910⁶? RIU。进一步的时间平均可能允许这需要进一步改善,但会牺牲数据更新率在许多应用程序中是一个重要的参数。

5。温度测量

如前所述,紫外线写芯片可以用作温度传感装置以及折射率传感器通过选择一个或多个离开布拉格光栅未侵蚀。在这种情况下热膨胀布拉格硅带来改变的时期,因此在布拉格波长。

使用温度控制和稳定环境传感器芯片是增加上下多个温度和允许稳定在5度之间的间隔。布喇格波长和实际芯片温度记录整个过程。温度测量用一个100 ?PRT监控使用测量计算USB-Temp模块。这些数据显示在图10之间的数据点被删除清晰稳定的温度。步骤的输出随着温度增加,很容易看到。为了看到温度和波长之间的关系数据改建在图11在一个线性温度和波长之间的关系是明确的。而这张图似乎只显示9个数据点,事实上绘制超过二万五千点。点是非常密切集群由于温度的稳定,因此波长。

图中的数据11收益率为这个未侵蚀光栅温度系数为0.011 ?nm /,当使用的波长分辨率0.36 ?下午早些时候派生的温度分辨率c .这项决议无疑是等于获得许多电气方法和更有吸引力的光学特性测量电噪声环境中不会被泄露,可能会降低信号PRT和热敏电阻型设备。此外,这个温度测量技术是完全兼容的折射率传感技术以及安全用于挥发性或易燃环境。

6。现实世界中测量技术

最伟大的挑战之一创建传感器技术的转换开发实验室实验为一个健壮的、易于使用的包适用于现实世界的应用。包装需要满足终端用户的需求和足够健壮,允许非熟练工人安装,但保留实验室原型的性能。为此,上述传感器技术已经融入各种特定于应用程序的包,允许液体进行分析很容易送到传感区域。

6.1。高速流工业过程控制流细胞

监测管道过程中可以保护整个过程完整性的一个宝贵工具,在许多应用程序中。未知或不受控制的浓度试剂进入一个过程在任何时候可能严重妥协或完全注销一个完整的批处理。为了允许原位测量管道的内容和实时Stratophase定义一系列的传感器芯片产品(图12),被设计成一个健壮的不锈钢单元设计纳入高速流,高压管道。工业过程控制(IPC)流动细胞是为了接受标准的1/4^”接头套管管道及接头,允许液体压力6酒吧使用。

6.2。反应容器插入探针

许多应用程序,尤其是那些需要为制药、发酵过程生物燃料、食品和饮料必须监视他们的反应在反应大血管或多个桌上型生物反应器。在这些应用程序中,一个流单元配置并不总是合适的,因为它需要利用液体的一部分从主箱和泵通过独立的感应循环。相反,插入探针常用于允许传感器通过墙壁或反应容器的盖子。常见的解决方案使用一个标准的形状,通常用Pg13.5线程允许传感器被拧成标准端口安装在发酵或反应堆。probe-housing兼容标准端口的设计允许使用这里讨论的布拉格平面传感器在一个插入探针格式(图13)。探针可用于静态或可伸缩的外壳,只需要一个光纤连接访问传感器数据。

7所示。示例应用程序

使用内联流细胞和插入探针格式,平面布喇格光栅设备有能力监测过程的许多方面进化超过几个星期。同时本文的焦点迄今为止对折射率敏感,更常见的是需要一个洞察变化由于浓度变化或生物生长过程而不是绝对折射率。即使是最小的改变液体的属性会导致折射率变化无论变化是由于温度、浓度、反应或其他事件。同时通过测量温度和RI和详细的进化过程可以获得的照片。

7.1。发酵过程的实时监测

发酵过程中使用酵母将糖转化为酒精,因为它是商业上重要的一样古老。糖,营养,和最终的酒精含量的主要因素是兴趣,和可以观察到的变化,通过折射率的变化。来演示这个功能上面描述的IPC流动池跌入到一个标准的发酵过程用泵循环发酵液体传感器。跟踪布喇格波长的变化在几周的时间里显示明确的事件关联的不同阶段的过程。图14显示了传感器输出随进化过程在几个星期。折射率传感器的输出显示在左侧轴和绘制以纳米为单位,提供了布喇格波长的变化。使用这些单位而不是转换折射率单位整体了解发酵过程是可取的,而不是绝对折射率在任何给定的时刻。相比之下,传感器的输出提供温度校准为度。

在最初阶段很明显,布拉格波长稳步下降由于糖浓度的降低,因为它消耗的酵母。这个初始活动后的变化率浓度会随着越来越多的糖消耗,和传感器输出表明,取得了一个稳定的状态。约500至700小时的过程时间几个澄清剂添加到酿造液体为了协助分离酵母和液体产品的兴趣。这导致一步正面和负面的变化方向作为悬浮粒子的减少降低和进一步的化学物质被添加,分别。在最后阶段,添加剂改善风味和口感添加到液体,导致不同的传感器输出的变化。

图上的较低的跟踪,这对应于右手轴,显示了光学测量的温度变化,并允许液体传感器事件跟踪与温度效应。例如,大约500小时的处理时间错误导致环境温度控制振荡数度的温度。这反映在上层发酵痕迹。其他关键事件发酵跟踪已知是“真实”的过程,而不是因为他们没有反映的环境变化温度参考数据。

这些步骤表明,过程可以实时连续监测。或许更重要的是,他们还表明,添加剂或糖浓度可能是衡量整个过程,这样应该可以立即采取补救行动过程偏离所需的路径。

7.2。工业原料监控

另一个示例应用程序是保护药品生产中污染的原料。溶剂污染的另一种产品可能显著影响制程良率和效率,最终花费大笔的钱。通过监测液体供应之前,在整个过程中,可以避免错误的步骤。

图15展示了一个传感器的输出装在一个IPC流块和连接到一个乙醇补给线。定期乙醇与水的污染导致传感器输出的明确步骤跳转。这里显示的巨大变化说清楚,非常少量的水污染(大约0.1%)可能被检测到。

8。总结

在本文中,我们提供了一个审查的功能平面波导布拉格传感器。从背景的物理原则,我们展示了如何不同的折射率传感器可能被认为操作共同的原则,然后表示使用布拉格grating-based设备的优点使用模态光约束方法。我们已经详细介绍了这类设备的制造和包装路线,他们的行为在一系列工业应用的例子。资料显示了订单1.9的折射率灵敏度 ,和相应的温度分辨率c .温度的设备提供优势的自参照和基于微流体silica-on-silicon平台。

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