光纖氣體感測器之原理

氣體感測器是一種把氣體的特定成分檢測出來，並轉換為電信號 的器件，用於有毒、有害氣體的探測，對於易爆、易燃氣體安全警惕，

對人類生產生活中所需瞭解氣體進行檢測、分析研究等，使得它在工 業生產和日常生活中起到耳目的作用。

氣體感測器只要是利用被測氣體的物理性質來檢測氣體的，主要 分為物理和化學兩種。物理性的感測器是通過電流、電導、光的折射 率等物理量的變化來檢測的，而化學性感測器是通過化學反應、電化

學反應引起物理量的變化來檢測。常見有以下幾種：

(1) 光譜吸收型感測：這類型是基於氣體對於光譜的吸收特性，利用 不同氣體對不同波長的吸收譜線，氣體會對於某特定波長吸收，

吸收量會隨該氣體的濃度增加而增加，則只需準備一適當的光 源，由光纖導往待測區，讓光暫時離開光纖並經過待測區，再重 新導入光纖，在另一端分析頻譜，量測特定光波長能量衰減的情 形，即可推知該氣體的濃度。吸收型光纖感測器最大的問題在於 感測區域太短或反應體積不足，使訊號強度不理想光纖導往檢測 出氣體的成分和濃度[28]，圖 2.18 為其工作原理示意圖。

Light Sensor Chamber

Record Meter Sensor Fiber

圖 2.18 吸收型光纖氣體感測器工作原理[29]

表2.1 一些常見氣體吸收波長[30]

氣體 波長 (μm)

氧氣 (O2) 0.761 二氧化碳 (CO2) 1.573

一氧化碳 (CO) 1.567

水蒸氣 (H2O) 1.365 二氧化氮 (NO2) 0.8

甲烷 (CH4) 1.665 乙炔 (C2H2) 1.53

氨氣 (NH3) 1.544 硫化氫 (H2S) 1.578

(2) 基於折射率變化型：此類型是在光纖外部或端面塗敷一層特殊材 料，這種材料與氣體相互作用時折射率會發生變化，可引起波導 參數變化，如能量損耗、有效折射率、雙折射等，運用強度檢測 或光強度量測等一些檢測參數變化的方法，即可以對待感測氣體 進行分析[29]。

(3) 螢光型感測：此類型是以光纖為傳導介質用來傳輸螢光信號，在 通過偵測器對螢光信號進行檢測，藉由螢光信號光強度變化以進 行樣品分析。傳統光纖由於受纖蕊尺寸和接收角的限制，在螢光 收 集 方 面 效 果 較 不 夠 理 想 ， 檢 測 靈 敏 度 低 。 直 到 2005 年

Konorov[30] 等人採用光子晶體光纖便能夠解決這種問題來檢測 樣品。圖2.19 為螢光型氣體感測實驗裝置圖。實驗中以半導體雷 射為光源經由耦合照射於樣品上，激發樣品分子發射出單光子螢 光，然後利用較大的包層區域(200-340 μm)來收集，最後用檢測 裝置進行分析。其中探測裝置和光源放置在一起是為降低耦合損 耗的影響。實驗中所使用的光子晶體光纖的損耗為70 dB/km，這 是一種結構非常簡單的非接觸是檢測方式。

圖 2.19 螢光型氣體感測實驗裝置圖[31]

(4) 消逝波型感測：此類型感測原理為當入射光耦合進入光纖中，造

成全反射效應，而在發生全反射的介面，電磁波仍會存在，此種 波我們稱為消逝波(Evanescent Wave)。如果發生介面有吸收光的 螢光分子，消逝波被會去激發此螢光分子而產生螢光，藉由偵測 器量測螢光對光強度變化影響，而得知此物質的種類。像一些新 型種類的光纖可以使用此種感測法，只要在消逝場上增加耦合的 能量面積大小便可加以應用。之後有人提出使用空心蕊光纖，此

種簡單的中孔結構，只要是利用折射率差異而產生全反射而傳遞 光線，因此很容易達到消逝場產生[31]。在 2002 年 Hoo[32]等人，

提出利用多孔光纖或微結構光纖或光子晶體光纖等此類型的光 纖用於感測氣體，可以加強消逝場和氣體的相互作用以提高分析 結果。

傳統塑膠也可用於氣體化生化感測器，同樣需在感測區域移除包 層裸露出纖蕊，當具有不同折射率的樣品流過或氣體吸附表面時，偵 檢器就可檢測出不同的光學訊號[33]。塑膠光纖感測器雖然結構簡

單，也較石英光纖可撓性更佳，且由於感測區域太短，靈敏度受到限 制。藉由光纖側邊製作微結構或粗糙化處理[34]，可顯著提高光側邊 洩漏因而提升訊號強度變化或靈敏度，但也因此引入缺陷易造成塑膠 光纖斷裂。