基于TRIZ理論的單模光纖錐角結構SPR微傳感器探討

魏勇 張竟原 劉春蘭 趙嫦欣

【摘要】為了解決SPR傳感器中棱鏡型SPR傳感器系統體積龐大、光纖型SPR傳感器穩定性不足、靈敏度低的問題，本文利用TRIZ理論中的創新分析方法，設計出一種結構簡單、靈敏度高的單模光纖錐角結構的SPR傳感器。

【關鍵詞】TRIZ理論；創新設計

一、市場中SPR傳感器存在的問題

（1）使用棱鏡式SPR傳感器裝置復雜性較高；（2）使用多模光纖SPR傳感器靈敏度較低；（3）使用單模側拋型光纖SPR傳感器結構穩定性不足。

二、使用TRIZ工具解決問題

對于上述問題，所提出的問題（2），將多模光纖替換為單模光纖，可提高傳感器的靈敏度，故可將問題的重心放在問題（1）與問題（3）。基于此，我們利用“特性傳遞”工具，對問題的具體分析如下。

一是識別系統的主要功能。單模光纖型SPR傳感器的主要功能是檢測折射率不同的溶液。

二是分析系統的優缺點。系統的優點是成本低，結構簡單，即裝置的復雜性低，缺點是存在著加工制作困難，普通單模光纖加工后傳感區過細，使用時易折斷的問題，即結構的穩定性較低。

三是確定競爭系統。可用用來檢測折射率不同的溶液的裝置有：棱鏡式SPR傳感器、多模光纖型SPR傳感器、光柵耦合式SPR傳感器等。

四是尋找備選系統。我們這里選擇系統結構穩定性較高的棱鏡式SPR傳感器，如圖1所示，單模光纖側拋型SPR傳感器與棱鏡式SPR傳感器的優缺點對比如表1所示。

五是確定基礎系統。由于我們的目標是設計一種靈敏度較高且結構簡單的光纖型SPR傳感器，故選擇單模光纖側拋型SPR傳感器作為基礎系統。

六是識別特性來源工程系統中造成優點的特性或組件。光在單模光纖纖芯中傳播時，由于纖芯直徑較小，SPR傳感區即50nm金膜鍍制在光纖包層外，故需要將包層腐蝕后使纖芯彎曲一定角度，造成光纖易折斷的問題。

棱鏡式SPR傳感器之所以具有較高的穩定性，是因為金膜可鍍制在棱鏡表面，光在以棱鏡介質中傳播時，其傳播路徑會經過SPR傳感區，不需要對傳播介質做相應的調整，故棱鏡式SPR傳感器具有較高的穩定性。

七是將選定的特性來源工程系統的新特性或組件移入到基礎系統中。我們需要解決的問題是使單模光纖中光的傳播路徑經過SPR傳感區，使纖芯能夠與SPR傳感區接觸，則系統工作時不需要將單模光纖彎曲，從而使新系統同時具有較高的穩定性與較低的裝置復雜性。

三、確定解決方案

綜合上述分析，我們設計出一種基于錯芯焊接技術的單模光纖錐角結構SPR微傳感器，通過在普通單模光纖和多模光纖末端磨制相同角度錐角結構，巧妙地將鍍有薄金屬層的Kretchmann棱鏡結構集成在單模光纖末端。其結構牢固穩定，靈敏度高。其整體實驗裝置如圖2，單模錐角結構光纖圖如圖3所示。

參考文獻

[1]孫永偉，謝爾蓋.伊克萬科.TRIZ打開創新之門的金鑰匙[M].北京：科學出版社，2015.

[2]孫永偉.特性傳遞[J].TRIZ評論，2016（01）：3～7.

作者簡介：魏勇（1987.06—），男，漢族，內蒙包頭人，博士，重慶三峽學院，講師，研究方向：光纖傳感、大學生創新教育；張竟原（1997.05—），男，漢族，重慶人；劉春蘭（1989.03—），女，漢族，四川人，碩士，重慶三峽學院，助理實驗師，研究方向：光纖傳感；趙嫦欣（1991.03—），女，漢族，黑龍江齊齊哈爾，碩士，重慶三峽學院，助理實驗員，研究方向：光纖傳感。