基于TRIZ理论的单模光纤锥角结构SPR微传感器探讨

魏勇 张竟原 刘春兰 赵嫦欣

【摘要】为了解决SPR传感器中棱镜型SPR传感器系统体积庞大、光纤型SPR传感器稳定性不足、灵敏度低的问题，本文利用TRIZ理论中的创新分析方法，设计出一种结构简单、灵敏度高的单模光纤锥角结构的SPR传感器。

【关键词】TRIZ理论；创新设计

一、市场中SPR传感器存在的问题

（1）使用棱镜式SPR传感器装置复杂性较高；（2）使用多模光纤SPR传感器灵敏度较低；（3）使用单模侧抛型光纤SPR传感器结构稳定性不足。

二、使用TRIZ工具解决问题

对于上述问题，所提出的问题（2），将多模光纤替换为单模光纤，可提高传感器的灵敏度，故可将问题的重心放在问题（1）与问题（3）。基于此，我们利用“特性传递”工具，对问题的具体分析如下。

一是识别系统的主要功能。单模光纤型SPR传感器的主要功能是检测折射率不同的溶液。

二是分析系统的优缺点。系统的优点是成本低，结构简单，即装置的复杂性低，缺点是存在着加工制作困难，普通单模光纤加工后传感区过细，使用时易折断的问题，即结构的稳定性较低。

三是确定竞争系统。可用用来检测折射率不同的溶液的装置有：棱镜式SPR传感器、多模光纤型SPR传感器、光栅耦合式SPR传感器等。

四是寻找备选系统。我们这里选择系统结构稳定性较高的棱镜式SPR传感器，如图1所示，单模光纤侧抛型SPR传感器与棱镜式SPR传感器的优缺点对比如表1所示。

五是確定基础系统。由于我们的目标是设计一种灵敏度较高且结构简单的光纤型SPR传感器，故选择单模光纤侧抛型SPR传感器作为基础系统。

六是识别特性来源工程系统中造成优点的特性或组件。光在单模光纤纤芯中传播时，由于纤芯直径较小，SPR传感区即50nm金膜镀制在光纤包层外，故需要将包层腐蚀后使纤芯弯曲一定角度，造成光纤易折断的问题。

棱镜式SPR传感器之所以具有较高的稳定性，是因为金膜可镀制在棱镜表面，光在以棱镜介质中传播时，其传播路径会经过SPR传感区，不需要对传播介质做相应的调整，故棱镜式SPR传感器具有较高的稳定性。

七是将选定的特性来源工程系统的新特性或组件移入到基础系统中。我们需要解决的问题是使单模光纤中光的传播路径经过SPR传感区，使纤芯能够与SPR传感区接触，则系统工作时不需要将单模光纤弯曲，从而使新系统同时具有较高的稳定性与较低的装置复杂性。

三、确定解决方案

综合上述分析，我们设计出一种基于错芯焊接技术的单模光纤锥角结构SPR微传感器，通过在普通单模光纤和多模光纤末端磨制相同角度锥角结构，巧妙地将镀有薄金属层的Kretchmann棱镜结构集成在单模光纤末端。其结构牢固稳定，灵敏度高。其整体实验装置如图2，单模锥角结构光纤图如图3所示。

参考文献

[1]孙永伟，谢尔盖.伊克万科.TRIZ打开创新之门的金钥匙[M].北京：科学出版社，2015.

[2]孙永伟.特性传递[J].TRIZ评论，2016（01）：3～7.

作者简介：魏勇（1987.06—），男，汉族，内蒙包头人，博士，重庆三峡学院，讲师，研究方向：光纤传感、大学生创新教育；张竟原（1997.05—），男，汉族，重庆人；刘春兰（1989.03—），女，汉族，四川人，硕士，重庆三峡学院，助理实验师，研究方向：光纤传感；赵嫦欣（1991.03—），女，汉族，黑龙江齐齐哈尔，硕士，重庆三峡学院，助理实验员，研究方向：光纤传感。