TWI625515B - 光纖感測器的用途 - Google Patents

Abstract

一種光纖感測器的用途，係用以區別具有相同折射率但成分不同之溶液，該光纖感測器包含：一光纖，該光纖具有一本體，該本體之兩端分別設有一入光段及一出光段，該入光段及該出光段之間連接有一檢測段，該光纖於該檢測段設有一缺槽；及一氧化鋁薄層，該氧化鋁薄層設置於該檢測段之缺槽，該氧化鋁薄層具有相對之一第一表面及一第二表面，該第二表面朝向該缺槽，且該氧化鋁薄層具有數個奈米孔洞，該數個奈米孔洞位於該第一表面。

Description

光纖感測器的用途

本發明係關於一種光纖感測器的用途，特別關於一種將具有氧化鋁薄層之光纖感測器用以區別具有相同折射率但成分不同之溶液的光纖感測器的用途。

請參見第1圖，習用光纖感測器9係具有一本體91，該本體91之相對二端分別設有一入光段911及一出光段912，該入光段911及該出光段912之間連接有一檢測段913。該本體91之外周面係於該檢測段913形成一缺槽92，該缺槽92具有呈相對狀之一第一側壁93及一第二側壁94，該第一側壁93及該第二側壁94之間具有間距且連接一檢測表面95。

習用光纖感測器9於使用時，該本體91之入光段911連接一光源，該本體91之出光段912連接至一感測元件。續將該光纖感測器9浸入一待測溶液中，使該待測溶液進入位於該檢測段913之該缺槽92，以對該待測溶液進行檢測。檢測過程中，該光源會發出一光訊號，該光訊號可依序通過該入光段911、該檢測段913及該出光段912後到達該感測元件。當該光訊號經過該檢測段913時，由於該缺槽92存在有該待測溶液，該光訊號會於檢測段913處發生折射及散射等現象，導致該光訊號之強度、頻譜產生變化。該感測元件藉由量測該光訊號之變化，可判斷該溶液之濃度等資訊。

惟，將習用光纖感測器9用於檢測具有不同成分但折射率相同之溶液時，該光訊號將於該感測段913產生相同的折射狀態，使其強度、 頻譜之變化相同而無法辨別。因此，習用光纖感測器9無法區別具有不同成分但折射率相同之溶液。此外，若於該液體中有固形物等雜質存在，則可能導致該溶液不透光，而使該光訊號受影響而產生大幅度的數值跳動，故必須預先進行過濾、離心等前處理，增加檢測流程複雜度。是以，習用光纖感測器9仍有改善之空間。

本發明之主要目的係提供一種光纖感測器的用途，係將該光纖感測器用以區別具有不同成分但折射率相同之溶液者。

本發明提供一種光纖感測器的用途，係用以區別具有相同折射率但成分不同之溶液，該光纖感測器包含：一光纖，該光纖具有一本體，該本體之兩端分別設有一入光段及一出光段，該入光段及該出光段之間連接有一檢測段，該光纖於該檢測段設有一缺槽；及一可過濾雜質之氧化鋁薄層，該氧化鋁薄層設置於該檢測段之缺槽，該氧化鋁薄層具有相對之一第一表面及一第二表面，該第二表面朝向該缺槽，且該氧化鋁薄層具有數個奈米孔洞，該數個奈米孔洞位於該第一表面，並自該第一表面延伸貫穿該第二表面，該缺槽係具有一第一側壁及一第二側壁，該第一側壁及該第二側壁之間具有間距，並以一檢測表面連接，該氧化鋁薄層之第一表面與第二表面間設有相對之一第一側邊及一第二側邊，該第一側邊及該第二側邊分別結合於該光纖之該第一側壁及該第二側壁，該氧化鋁薄層之第一表面遠離該光纖之該檢測表面，該第二表面鄰近該光纖之該檢測表面，且該第二表面與該檢測表面之間具有間隙。

本發明之光纖感測器的用途，其中，該光纖之入光段係連接一光源，該出光段係連接一感測元件。

本發明之光纖感測器的用途，其中，該氧化鋁薄層之奈米孔洞的孔徑為50~75nm。

本發明之光纖感測器的用途，係藉由該光纖感測器所具有之該光纖及該氧化鋁薄層，該氧化鋁薄層設置於該光纖本體之該缺槽中，且該氧化鋁薄層具有奈米孔洞。藉由該氧化鋁薄層之奈米孔洞，可以使該待測溶液之滲入深度隨其表面張力而改變，進而使該光訊號通過該氧化鋁薄層後，對應不同的待測溶液之滲入深度差異，產生不同的強度、頻譜變化，而使本發明之光纖感測器可以區別具有相同折射率但成分不同之溶液，達到擴大該光纖感測器適用範圍之功效。

藉由該間隙之設置，使該氧化鋁薄層之第一表面的壓力大於其第二表面，因此，該待測溶液會經由該氧化鋁薄層之奈米孔洞進入該間隙，以進一步提升該氧化鋁薄層之過濾效果，並擴大該光訊號通過該待測溶液之範圍，增大其光強度及頻譜之變化量。

〔本發明〕

1‧‧‧光纖

11‧‧‧本體

12‧‧‧缺槽

111‧‧‧第一側壁

112‧‧‧第二側壁

113‧‧‧檢測表面

114‧‧‧間隙

2‧‧‧氧化鋁薄層

21‧‧‧第一表面

22‧‧‧第二表面

23‧‧‧第一側邊

24‧‧‧第二側邊

3‧‧‧平板治具

31‧‧‧上表面

32‧‧‧下表面

D‧‧‧液滴

G‧‧‧黏膠

S1‧‧‧入光段

S2‧‧‧出光段

S3‧‧‧檢測段

P‧‧‧奈米孔洞

〔習知〕

9‧‧‧習用光纖感測器

91‧‧‧本體

911‧‧‧入光段

912‧‧‧出光段

913‧‧‧檢測段

92‧‧‧缺槽

93‧‧‧第一側壁

94‧‧‧第二側壁

95‧‧‧檢測表面

第1圖：係習用光纖感測器之結構示意圖。

第2圖：係本發明光纖感測器之結構分解圖。

第3圖：係本發明第一實施例光纖感測器之側剖面圖。

第4圖：係本發明第二實施例光纖感測器之製備流程結構分解圖。

第5圖：係本發明第二實施例光纖感測器之製備流程側剖面圖(一)。

第6圖：係本發明第二實施例光纖感測器之製備流程側剖面圖(二)。

第7圖：係本發明第二實施例光纖感測器之製備流程側剖面圖(三)。

第8a圖：係溶液表面張力對滲入深度影響之示意圖(一)。

第8b圖：係溶液表面張力對滲入深度影響之示意圖(二)。

第9圖：係第A1、B1組之折射率-光功率圖譜。

第10圖：係第A2、B2組之折射率-光功率圖譜。

第11圖：係第C1組之折射率-光功率圖譜。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本發明之光纖感測器係包含一光纖1及一氧化鋁薄層2，該光纖1具有一入光段S1、一出光段S2及一檢測段S3，且該氧化鋁薄層2係設置於該檢測段S3。藉由該氧化鋁薄層2之使用，使該光纖感測器能夠區別具有相同折射率但不同成分之溶液。

請參照第2圖，其係本發明第一實施例之光纖感測器的結構分解圖。該光纖感測器包含該光纖1及該氧化鋁薄層2。

該光纖1係具有一本體11，該本體11之兩端分別設有該入光段S1及該出光段S2，該入光段S1及該出光段S2之間連接有該檢測段S3。該本體11於該檢測段S3形成一缺槽12，該缺槽12係具有一第一側壁111及一第二側壁112，該第一側壁111及該第二側壁112之間具有間距，並以一檢測表面113連接。該光纖1可以為任何種類之光纖，例如石英光纖、塑膠光纖或氟化物光纖等。於本實施例中，該光纖1之本體11係以研磨形成該缺槽12。

該氧化鋁薄層2係設置於該本體11之缺槽12，並結合於該本體11。詳言之，該氧化鋁薄層2係具有相對之一第一表面21、一第二表面22，該第一表面21及該第二表面22之間設有相對之一第一側邊23及一第二側邊24。詳言之，該氧化鋁薄層2能夠以該第二表面22結合於該本體11之檢測表面113；或者，該氧化鋁薄層2能夠以該第一側邊23及第二側邊24分別結合於該本體11之該第一側壁111及該第二側壁112，而該氧化鋁薄層2之第二表面22接觸該檢測表面113。該氧化鋁薄層2係具有位於該第一表面21之奈米孔洞P，所述之奈米孔洞P係指孔徑為數奈米至數百奈米之孔洞，為本發明所屬技術領域之通常知識者可以理解。該奈 米孔洞P可以向該第二表面22之方向延伸，並且可以貫穿或不貫穿該第二表面22。於本實施例中，係使用具有50~75nm孔徑奈米孔洞P之該氧化鋁薄層2，且該奈米孔洞P係自該第一表面21延伸貫穿該第二表面22。

更詳言之，製作該光纖感測器時，係能夠以塗佈及加熱固定等方法直接於該本體11之該檢測表面113形成該氧化鋁薄層2。藉此，可以使該氧化鋁薄層2一體成型於該本體11，以提升其結合穩定性。或者，亦可先以陽極處理等方法形成該氧化鋁薄層2，續將該氧化鋁薄層2設置於該檢測段S3，使該氧化鋁薄層2之該第一側邊23及該第二側邊24分別結合於該第一側壁111及該第二側壁112。藉此，則能夠較容易透過調整陽極處理等方法之條件，以控制該氧化鋁薄層2之奈米孔洞P的孔徑。該氧化鋁薄層2與第一側壁111及該第二側壁112之結合方式可以為卡固或黏合等，本發明不加以限制。

如第3圖所示，於本實施例中，係將該氧化鋁薄層2設置於該缺槽12，使該氧化鋁薄層2之第二表面22接觸該檢測表面113，續以黏膠G塗佈於該氧化鋁薄層2之該第一側邊23及該第二側邊24，使該氧化鋁薄層2之該第一側邊23及該第二側邊24分別黏合於該本體11之該第一側壁111及該第二側壁112，以固定該氧化鋁薄層2。所使用之黏膠可以為UV膠，例如OPAS 3021或U-401等，本發明不加以限制。

於使用時，係將本發明之光纖感測器的入光段S1連接一光源，該出光段S2連接一感測元件。續將該光纖感測器浸入一待測溶液中，使該待測溶液接觸該氧化鋁薄層2之第一表面21，並自其奈米孔洞P滲入該氧化鋁薄層2中。該光源發射一光訊號，使該光訊號依序通過該入光段S1、該檢測段S3及該出光段S2，並以該感測元件偵測該光訊號之強度、頻譜變化。上述光源及感測元件之結構、工作原理係為本發明所屬技術領域之通常知識者可以理解，在此不再贅述。

當該待測溶液接觸該氧化鋁薄層2時，依據該待測溶液之表面張力的不同，該待測溶液滲入該氧化鋁薄層2之奈米孔洞P的情形會有差異。以滴於該氧化鋁薄層2之該第一表面21的待測溶液之一液滴D來進行說明，如第8a圖所示，當該液滴D之表面張力較大時，較不易自該第一表面21進入該奈米孔洞P中，其滲入深度小。反之，如第8b圖所示，當該液滴D之表面張力較小時，較容易自該第一表面21進入該奈米孔洞P中，而具有較大的滲入深度。

當該光訊號通過該檢測段S3時，亦會穿過該氧化鋁薄層2，並受到進入該奈米孔洞P中之待測溶液的影響，發生反射或折射等現象。即使該待測溶液之折射率相同，只要其成分不同即會具有不同的表面張力，導致其滲入深度不同。而該待測溶液之滲入深度不同，則會影響該光訊號經過該氧化鋁薄層2之路徑，進一步使該光訊號產生不同的光強度、頻譜之變化。因此，藉由該氧化鋁薄層2之設置，使本發明之光纖感測器能夠用於區別具有相同折射率但成分不同之溶液。

此外，將本發明之光纖感測器用於檢測含有雜質之該待測溶液時，可以藉由調控該氧化鋁薄層2之奈米孔洞P，使其孔徑小於雜質之粒徑，使雜質無法進入奈米孔洞P中，以防止雜質影響檢測結果。是以，無須預先進行過濾或離心等前處理，即能夠於檢測同時達到過濾之效果，使本發明之光纖感測器能夠用於檢測含有固形物等雜質之溶液。

如第7圖所示，本發明第二實施例之光纖感測器具有與上述類似之結構，其差異僅在於該氧化鋁薄層2之該第二表面22與該本體11之該檢測表面113間具有一間隙114。當該待測溶液接觸該氧化鋁薄層2之時，由於該第一表面21之壓力大於該第二表面22，使該待測溶液可以通過該氧化鋁薄層2之奈米孔洞P以進入該間隙114中，以進一步提升過濾之效果，並擴大該光訊號通過該待測溶液之範圍，增大其光強度及頻譜 之變化量。

當製作本發明第二實施例之光纖感測器時，係如第4圖所示，可預先準備該光纖1，該氧化鋁薄層2及一平板治具3。該平板治具包含一上表面31及一下表面32。如第5圖所示，係將該平板治具3設置於該缺槽12，使該平板治具3之該下表面32接觸該本體11之該檢測表面113；續將該氧化鋁薄層2放置於該平板治具3上方，使該氧化鋁薄層2之該第二表面22接觸該平板治具3之該上表面31。而後，以黏膠G將該氧化鋁薄層2之該第一側邊23及該第二側邊24結合於該本體11之該第一側壁111及該第二側壁112，如第6圖所示。最後，移除該平板治具3，以形成如第7圖所示之該光纖感測器。

為證實本發明之光纖感測器確實可以區別具有相同折射率但不同成分之溶液，並可以用於含有雜質之溶液的檢測，遂進行以下實驗。

(A)相同折射率之蔗糖水、鹽水檢測實驗

配製一系列折射率之蔗糖水，並分裝做為第A1、A2組之待測溶液，另配製對應上述蔗糖水折射率之鹽水，分裝做為第B1、B2組之待測溶液。第A1、B1組之待測溶液係以本發明之光纖感測器進行光功率之檢測，該光纖感測器之該氧化鋁薄層2係具有50nm孔徑之奈米孔洞P(於此之奈米孔洞P係貫穿該第一表面21及該第二表面22)，並使用波長528nm之綠光作為該光源，其結果係如第9圖所示。第A2、B2組則以習用光纖感測器進行光功率檢測，使用相同之綠光光源，記錄結果如第10圖。

由第9圖可見，第A1、B1組之折射率-光功率圖譜皆具有良好的線性關係，且第A1、B1組並未重疊。亦即，針對相同折射率之蔗糖水、鹽水，本發明之光纖感測器可以藉由光功率之差異清楚區分。反觀第10圖，第A2、B2組之折射率-光功率圖譜重疊，無法分辨。由上述實驗結果可以證實，本發明之光纖感測器確實可以用於檢測相同折射率但成 分不同之溶液。

(B)含有雜質之蔗糖水檢測實驗

配製一系列折射率之蔗糖水，做為第C1組之待測溶液，其皆含有少量不透光之固形物雜質。以上述第A1、B1組相同條件進行檢測，記錄結果如第11圖。由檢測結果可知，其折射率-光功率圖譜仍具有良好線性關係。

反之，若以習用光纖感測器對上述蔗糖水進行檢測，則由於固形物雜質在溶液中的不規則運動，而干擾該光訊號，使該光訊號雜亂無章，無檢測結果可言。因此，依據上述結果可知，本發明之光纖感測器確實可以用於檢測含有雜質之溶液。

綜合上述，本發明之光纖感測器的用途，係藉由該光纖感測器所具有之該光纖及該氧化鋁薄層，該氧化鋁薄層設置於該光纖本體之該缺槽中，且該氧化鋁薄層具有奈米孔洞。藉由該氧化鋁薄層之奈米孔洞，可以使該待測溶液之滲入深度隨其表面張力而改變，進而使該光訊號通過該氧化鋁薄層後，對應不同的待測溶液之滲入深度差異，產生不同的強度、頻譜變化，而使本發明之光纖感測器可以區別具有相同折射率但成分不同之溶液，達到擴大該光纖感測器適用範圍之功效。

此外，藉由該間隙之設置，使該氧化鋁薄層之第一表面的壓力大於其第二表面，因此，該待測溶液會經由該氧化鋁薄層之奈米孔洞進入該間隙，以進一步提升該氧化鋁薄層之過濾效果，並擴大該光訊號通過該待測溶液之範圍，增大其光強度及頻譜之變化量。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (3)

1. 一種光纖感測器的用途，係用以區別具有相同折射率但成分不同之溶液，該光纖感測器包含：一光纖，該光纖具有一本體，該本體之兩端分別設有一入光段及一出光段，該入光段及該出光段之間連接有一檢測段，該光纖於該檢測段設有一缺槽；及一可過濾雜質之氧化鋁薄層，該氧化鋁薄層設置於該檢測段之缺槽，該氧化鋁薄層具有相對之一第一表面及一第二表面，該第二表面朝向該缺槽，且該氧化鋁薄層具有數個奈米孔洞，該數個奈米孔洞位於該第一表面，並自該第一表面延伸貫穿該第二表面，該缺槽係具有一第一側壁及一第二側壁，該第一側壁及該第二側壁之間具有間距，並以一檢測表面連接，該氧化鋁薄層之第一表面與第二表面間設有相對之一第一側邊及一第二側邊，該第一側邊及該第二側邊分別結合於該光纖之該第一側壁及該第二側壁，該氧化鋁薄層之第一表面遠離該光纖之該檢測表面，該第二表面鄰近該光纖之該檢測表面，且該第二表面與該檢測表面之間具有間隙。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光纖感測器的用途，其中，該光纖之入光段係連接一光源，該出光段係連接一感測元件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光纖感測器的用途，其中，該氧化鋁薄層之奈米孔洞的孔徑為50~75nm。