TWI309297B - - Google Patents

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1309297 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種形咸感測器之製程，尤指一應用、 化學氣體感測之光纖光柵感測器，其概應隸屬於光纖感： 器設計之應用，運用於氣體檢測之技術領域範疇。^ J 〖先前技術】 二k年來隨著化學工業急劇成長，化學工業所產生的有 害氣體多達數百種，當這些有害氣體被大量排人空氣中， 不僅造成空氣與環境的污染，增大溫室的效應及酸雨形 成，同時亦嚴重威脅到人類的健康；在沒辦法完全去除= 學工業的現實條件下，如何鍩快速檢測特定有害氣 5染源的監.測，以提供污染淨化處理，建構優質生活壤 境是刻不容緩的主題。 ^ 目前市面上的氣體感測器以半導體感測器為主，主要 是觉近年來半導體工業發達影響，此類感测器的撿踯原 理，主要是利用有害氣體在半導體感測器表面產生現齡反 應後造成導電度（Conductivity)的變化來量測，但多使用— 些無機材料如Sn〇2、ZnO、FejO3、AgA等氧化物做為感 測枯料*由於金屬氧化物十分穩定’因此在室溫下的敏感 性較差’因此為了碟保感測器的敏感度（gensit丨vity)，一般 必须在高溫下工作，然而高溫操作的因素不僅限制了許多 易燃環境的應用，也相對增加使用時的危險性β 因此有—種利用Kretschmann組態激發表面電漿共振 方式作為全先路光學的氣體感測器，其係在金屬膜的表層 1309297 f上一層酸鹼指示劑做為氣體吸收層’而當指示劑層吸收 t體刀子$成鍵結時，會造成介電值的變化，進而使表面 t聚波共振角反射量產生變化來偵測氣體，然而此種方式 的，測只驗所而的週邊設備過多、感測端點體積龐大、尤 -疋榀測發达的雷射光源光路容易受偵測環境的霧氣折射 •而干擾’使接收端的光信號接收偏失，影響感測數值的精 確。 藝 A ’’JH!丨ϋ自197 7年開始發展以來，由於光纖的通 信傳輸頻寬大、資料信號損耗小、高穩定性和不受電磁干 ，此力等優勢’因此用來感測氣體時，更具有感測精準度 7反應時間快、體積纖細質輕、可多點多工使用、不易 、又到二卜界同、腐钱環境因素影響等特性，其係於光纖上 塗:單層或夕層感測材料層藉以產生化學反應及感測化學 /貝“主要係藉由塗佈在光纖上的單層感測物的光吸收 係數與光折射兩者間的變化’使傳輸中的光訊號產生光強 _度的改隻而進行氣體的感須j，然而此種光纖感；則器的感測 靈敏度容易受到包層、光纖傳輸光的屬性、波長及外部可 強度的影響’而影響其感測效果，加上此種光線感 ^用穿透端進行量測，因此在使用上也較為不便。 【發明内容】 因此’本發明人有鑑於上述氣體感測器的缺失與問題， 特經過不斷的研究與試驗，終於發展出-種能改進現有缺 j發月’不僅可有效減少感測實驗所需週邊設備，並 可鈿J、感測端點的體積’另可有效避免偵測環境中的霧 6

月士丨修正替换頁 1309297 氣與外部可見光源強度的影響，達到簡化感測器複雜度並 提高感測精確度，以降低感測氣體所需之成本之特性者° 本發明之主要目的係在於提供一種光纖光柵化學氣體 感_器。 而為達到上述目的，本發明係提供一種形成光纖光柵 氣體感測器之製程，’其包括： (一） 前置處理：將一感光單模光纖進行高壓的載氫 處理，使其具有較佳的光感度； (二） 光柵寫製：將經前置處理的感光單模光纖利用 相位光罩的方法，在感光單模先纖寫製出一先纖光拇； (三） 除殼：此步驟係用以將光纖之纖殼削除至設計 直徑；以及 (四）鍍膜：其主要係將除殼後之光纖光柵以浸鍍的 方式，在光，纖光柵的表面上生長出一作為光纖包層的薄膜 感测層*待鍍膜時間結束後，以去離子水沖洗去除光纖光 柵表面之酸性溶液，再以氮氣吹乾光纖表面。 藉由上述技術手段，本發明之光纖光辆氣體感測器不 僅可藉由所形成之薄膜包覆層作為化學感测的媒介同時 可以光纖光學方式進行檢測*而當光纖光柵表面的聚苯胺 高分子膜層吸收待测溶液氣體分子後，由於氣體分子與聚 笨胺形成鍵結s造成光纖纖殼層有效折射率的改變*藉此 來推得光纖外部環境中被量測物的變化量，因此有效減少 感測所需之週邊設備及縮小感測端點的體積*並避免霧氣 與外部可見光源強度的影響，而達到簡化感測器複雜度及 1309297 提高感測精確度，降低感測氣體所需之-特^者。 【實施方式] 本發明係—種形成光纖光柵化學氣體感測器之製程， 其包含有： ~ 、（）則置處理1為了提升光纖對於紫外光波束的光 感度，以有效增加纖核折射率的調變量，因此首先將一感 光單模光纖進行高廢的載A處理，使其具有較佳的光感 度；

(一）光柵寫製：將經前置處理的感光單模光纖利用 相位光罩的方法，在感光單模光纖寫製出一反射量達20dB 的光’戡光柵’其中该光纖光柵可為一超結構型光纖光柵 (Supeistructure Fiber Bragg Grating; SFBG) ' - 布拉格 光纖光栅（FBG)或—長週期光纖光柵（LPG)，其中超結構型 光纖光柵可視為布拉格光纖光柵（FBG)與長週期光纖光棚 (LPG)的合成體，超結構型光纖光柵（SFBG)在光纖上形 成-段有布拉格光柵段沒有布拉格光柵相互間隔而成 的：構，這一段有、無的週期大約介於幾十到幾百微米㈣ 的乾圍’至於超結構型光纖光柵的週期與強度可應需要而 6又5十’反射率的強或弱可由布拉格光柵的㈣合係數決定（正 比於折射率調變量）’另反射波道間的距離也可由長週期光 纖光栅的週期妓以製作出所需光纖光拇； (二）除殼：此步驟係用以將光纖的纖殼進行削除， 而除殼的方法可分為氫氣酸钮刻及陶究融燒拉伸兩種，使 光纖的纖殼層經姓刻腐敍或融燒拉伸至直徑約】5μπι，以 1309297 作.μ月叫修正替换頁 调製成各種不同類型的光纖光柵；以及 (四）鑛膜：其主要係將蝕刻後之光纖光柵以浸鍍的 方式，在光纖光柵的表面上生長出一作為光纖包層的薄膜 感測層，其中浸潰的方式係採用旋轉鍍件的浸潰方式來鍍 製膜厚约30〇nm的薄膜感測層，其中浸鍍之有機化學溶液 係為聚苯胺溶液，使聚苯胺分子逐漸在光柵表面沉積一聚 苯胺薄膜，同時控制聚苯胺的適當沉積時間，且待鍍膜時 間結束後，取出光纖並以去離子水加以沖洗，去除光纖光 柵表面的酸性溶液，再以氮氣吹乾光纖表面，即得到本發 明之光纖光栅化學氣體感測器。 其中該聚苯胺溶液係藉由一苯胺（Aniline)、_過硫酸 氨（Ammonia persulfate)以及一硫酸（Sulfuric Acid)反應而 成’其反應步驟係包含有·· (1) 先將硫酸與去離子水配製成1M的硫酸水溶液 80ml，並分裝成兩瓶4〇mi的稀釋硫酸備用。 (2) 將0.36308 ml的苯胺溶液加入上述1M 4〇ml硫酸 水溶液中’並藉由一授拌器加U授拌數分鐘使溶液均勻。 (3) 另將0.91284g的過硫酸氨加入另一瓶1M 4〇mi硫 酸水溶液中，使用攪拌器加以攪拌均勻。 (4) 再將上述二者配製之過硫酸氨溶液緩慢加入苯胺溶 液中，苯胺溶液中的苯胺分子逐漸產生聚合形成聚苯胺分 子’在反應過程中持續加以授拌。 氣體感測器進行 自發性寬頻量測 而第一圖係為本發明之光纖光柵化學 氣體檢測之實驗示意圖，其中係包含有— 9 Ή年(。月ίΗ3修正替換頁i

• ___--1--...... J 光源（Amlified Spontaneous Emission ; ASE ) (20)、 一光譜分析儀（3 0 )、一光纖耦合器（4 0 )、一有機 ’谷劑揮發氣體產生設備（5 0 )及本發明之光纖光柵化學 氣體光纖感測器（1 0 )，首先係將經鍍膜後之光纖光栅 感測器（1 0 )固定於架上’用以消除風動或外力等因素 的影響’並將其放置於密閉氣體感測容器（6 ◦)内，另 藉由有機溶劑揮發氣體產生設備（5 〇 )導入具有不同濃 度之氣體分子，並運用耦合器（4 0 )、寬頻量測光源（2 0 )及光谱分析儀（3 〇 )等儀器’來進行化學氣體濃度 之里測驗其主要係利用t本胺浸鑛於姓刻後的光纖纖 殼外以形成作為化學感測媒介的薄膜包覆層，同時以光纖 光學方式進行檢測，而當光纖光柵表面的聚苯胺高分子膜 層吸收待測溶液氣體分子後，由於氣體分子與聚苯胺形成 鍵結，造成光纖纖殼層有效折射率的改變，導致在光纖内 傳輸的光訊號反射光的波長及能量有所變化，並藉此來推 得光纖外部環境中被量測物的變化量。 本發明係運用光纖通信傳輸頻寬大、資料信號損耗小、 高穩定性和不受電磁干擾能力的優勢，結合化學有機材料 的敏感反應特性，來製作+来她, 卞王光纖（All Fiber)的感測元件， 藉由在光纖包層上塗霜外鬼、B, ~ 後化子感測物質與氣體分子鍵結，並 運用光纖内光拇光波訊號的辦儿、& ^ '' 姽的交化進而來推得光纖外部環培 中的化學氣體變化量，逵至,丨> ^ 里違到監測之目#，其不僅具有感測

精準度面、反應日守間快、體錄總《供A 月且積纖細質輕、可多點多工使用、 不易受到外界局溫、腐餘援4立m * 斓蝕％ i見因素影響的優點外，由於 10 1309297 纖光柵感測讯號係採不可見光光譜讀取，因此量測訊號不 受外部可見光強度干擾影響，尤其光纖可允許一定的連接 或彎曲造成的光損纟’遂可將感測端延伸達到很遠或複雜 危險㈣龍域内來進行量測，倘若將其置以、易燃易 爆的氣體環境中，仍能維持一定 p訂疋自0穂疋度及靈敏度，來達 的，的，及娜他有毒氣體或監測 工 口貝之，辰度，有效確保大眾人員安全。 【圖式簡單說明】 第圖係本發明光纖光拇化學氣體感測〜 測之實驗示意圖。 °仃氣體檢 【主要元件符號說明】 (1 〇)光纖光柵化學氣體光纖感測器 (2 0 )寬頻量測光源 (3 0 )光譜分析儀 (4 0 )光纖耦合器 (5 〇)有機溶劑揮發氣體產生設傷 (6 0 )密閉氣體感測容器

Claims (1)

1309297 _日修正侧j 十、申請專利範園： >»一 1 · 一種形成光纖光柵化學氣體感測器之製程5其包 含有= (一） 前置處理：將一感光單模光纖進行高壓的載氫 處理，使其具有較佳的光感度； (二） 光柵寫製：將經前置處理的感光單模光纖利用 相位光罩的方法，在感光單模光纖寫製出一光纖光柵； (三） 除殼：此步驟係用以將先纖之纖殼削除至設計 •直彳f ;以及 (四） 鍍膜：其主要係將除殼後之光纖光柵以浸鍍的 方式，在光纖光栅的表面上生長出一作為光纖包層的薄膜 感測層，待鍍膜時間結束後，以去離子水沖洗去除光纖光 櫥表面之酸性溶液，再以氮氣吹乾光纖表面。 2 如申請專利範園第1項所述之光纖光柵化學氣體 感測器之製程，其中係籍由光櫥寫製出一反射量達2:0dB 之光纖光柵。 ® 3 *如申請專利範園第2項所述.之光纖光柵化學氣蘧 感測器之製程，其中該光纖光柵係為一超結構型光纖光 栅* 4，如申請專利範圍第3項所述之光纖光柵化學氣體 感測器之製程*其中該浸鍍的方式係採用旋轉鍍件的浸潰 方式來鍍製膜厚約300nm的薄膜感測層，其中浸鍍之有機 化學溶液係為聚苯胺溶液，使聚笨胺分子逐漸在光柵表面 沉積一聚苯胺薄膜。

1309297 纖光櫥·化學氣體 5 *如申請專利範園第4項所述之光 感測器之製輕，其中該聚笨胺溶液儀藉由一笨胺（Anmne) ' - 一過硫酸氨（Aiiiracmia Persu丨fate)以及一硫酸（Sulfuric Acid) ' 反應而成。 6 ·如申請專利範圍第5項所述之光纖光柵化學氣體 感測器之製程，其中該聚苯胺溶液之反應步驟係包含有： (1)先將硫酸與去離子水配製成1M的硫酸水溶液 ㈣並分裝成兩瓶40ml的稀釋硫酸備用。 φ (2.)將0.36308 ml的苯胺溶液加入上述1M 40ml硫酸 水溶液中，並籍由一攪拌器加α攪拌數分鐘使溶液均勻。 (3>另將0,91284g的過疏酸氨加入另一瓶i.M 40m〗硫 酸水溶液中，使用攪拌器加以攪拌均勻。 (4)再將上述二者配製之過硫酸氨溶液缓慢加入苯胺溶 液中，笨胺溶液中的苯胺分子逐漸產生聚合形咸聚苯胺分 子，在反應過程中持續加以攪捽ΰ 7 *如申請專利範園第β項所述之光纖光柵化學氣體 •感測器之製程，其中該除殼係籍由氫氟酸蝕刻光纖之纖殼 層，使光纖的纖殼層經蝕刻腐飿至直徑約1 s μιΐ!。 8，如申請專利範圍第6項所述之光纖光柵化學氣體 感測器之製程，其中該除殼係藉由陶瓷融燒拉伸光纖之纖 殼層，使光纖的纖殼層經融燒拉伸至直徑約15μηι。 9 ♦如申請專利範圍第1項所述之光纖光栅化學氣體 感測器之製程，其中該光纖光栅係為一超結構型光纖光 13 1309297 月y日修正替3 1 Θ f If專利範園第1項所述之光纖光櫥.學氣 體感Jl ^之製輕，其中镇浸鍍的方式係採用旋轉鍍件的浸 潰方式來錢製媒厚約3〇〇而1的薄臈感洌層 > 其中浸鍍之有 機化學4液係為聚笨胺溶液，使聚苯胺分子逐渐在光櫥表 面沉積一聚笨胺薄獏。 1 1 *如申讀專利範圍第1 〇項所述之光纖光柵化學 氣體感測器之製程，其中該聚苯胺溶液係籍由一笨胺 (An+Uine)、一 過疏酸氨（Ammonia Persuifa.t+:e)以及一碳酸 鲁（Sulfuric Acid.)反應而成 ° 1 2 *如申讀專利範圍第1 1項所述之光鐵光栅化學 氣體感測器之製程，其中該聚苯胺溶液之反應步驟係包含 有· (1) 先將硫酸與去離子水配製成ΪΜ的硫釀水溶液 8〇ml,，並分裝成兩瓶利的稀釋硫酸備用。 (2) 將0,36308 mi的笨胺溶液加入上述iM 4〇章1硫綠 水溶液_，並籍由一攪拌器加以攪摔數分鐘使溶液约句。 瞻 （3)另將0.9U84g的過礙醆氨加入另一瓶1M 4〇mI硫 酸水溶液中，使用攪拌器加以攪棒均勻3 (4)再將上述*-•者配之過硫酸氨溶液缓,慢加入笨駿溶 液中*苯胺溶液中的苯胺分子逐漸產生聚合形成聚笨胺分 子*在反應遢程中持續加以攪拌《 1 3，如申請專利範園第1項所述之光纖光柵化學氣 體感測器之製程*其中遠除殼係籍由氫氟酸钱刻光纖之纖 殼層，使光纖的鐵殼層碰·餞刻腐麵至直後約1. 5 μ ra.。

1309297 1 4 *如申請專利範園第1項所述之光纖先柵北學氣 體感測器之製程，其中該除殼係藉由_瓷融燒拉伸光纖之 纖殼層，使光纖的纖殼層經融蟓拉伸至直徑約15μ:ρι «