科技部補助產學合作研究計畫成果精簡報告
微結構光纖用於微量氣體偵測
計 畫 類 別 ： 技術及知識應用型 計 畫 編 號 ： MOST 107-2622-E-006-014-CC3 執 行 期 間 ： 107年06月01日至108年05月31日 執 行 單 位 ： 國立成功大學光電科學與工程學系 計 畫 主 持 人 ： 崔祥辰 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：沈冠廷 碩士班研究生-兼任助理：蔡振庭 碩士班研究生-兼任助理：蕭士傑 碩士班研究生-兼任助理：陳泓志 處 理 方 式 ： 公開方式：立即公開中 華 民 國 108 年 08 月 12 日
中 文 摘 要 ： 一開始，我們先介紹並討論了兩個甲烷氣體檢測系統，其中一種使 用中紅外發光二極體(λ=3.3μm)。在現代日常生活中甲烷有廣泛的 應用，但由於甲烷是其中一種主要的溫室氣體，因此必須強調能有 效監測甲烷濃度的系統。作為同類產品中的第一種，採用了直接吸 收方法。它包括光源、MIR LED、紅外光電探測器和帶有適當氣體混 合器系統的20毫米氣體腔體。 其輸出信號可以使用信號放大器或鎖定技術進行放大。使用信 號放大器的檢測限值估計為49 ppm，而使用鎖定技術估計為2.3 ppm，比直接吸收還精確許多。 由於MIR光是肉眼看不見的，需要通過熱像儀看到，導致光學對 準非常耗時。因此我們才選擇採用一種微結構紅外多模光纖，而不 是氣體腔體。光纖表面由大功率Q開關雷射加工，使光和甲烷分子的 相互作用發生在這種微加工光纖表面。檢測限值估計為6.1 ppm。動 態範圍估計為26 dB。 之後我們做出了一種微量甲烷氣體檢測的光學系統，該系統使 用的是中紅外發光二極體，將其耦合進中空光纖(HCF)。當MIR LED的光聚焦在HCF上時，可將光和甲烷氣體的相互作用限制在直徑 為0.5 mm的光纖芯內，而1米長的HCF提供了MIR LED增強的光路徑和 最佳的光氣相互作用。原理的部分則是利用氣體的直接吸收光譜法 ，將甲烷氣體濃度的檢測極限擴大到17ppb，浮動範圍估計為42dB。 此外由於MIR LED的400 nm 頻寬可以覆蓋 3.3μm 附近的所有強吸 收線，所以並不會有找不到吸收線的情況，因此此系統可降低掌上 型甲烷探測器的成本。 中 文 關 鍵 詞 ： 氣體感測、中紅外發光二極體、微結構紅外多模光纖
英 文 摘 要 ： We presented and discussed two methane gas detection systems using a mid-infrared (MIR) (λ = 3.3 μm) light emitting diode (LED). As a first of its kind, the direct absorption method was employed. It included a light source, an MIR LED, an infrared photodetector, and a 20-mm gas cell with a proper gas mixer system. The output signal could be amplified using a signal amplifier or a lock-in technique. The detection limit was estimated as 49 ppm using the signal amplifier and 2.3 ppm using the lock-in technique. The MIR light is invisible to the naked eye but can be seen with a thermal camera. The optical alignment is time
consuming. A microstructured infrared multimode fiber was adopted instead of a gas cell. The fiber surface was machined by a high-power Q-switched laser, and the
interaction of light and methane molecules occurred on this micromachined fiber surface. The detection limit was
estimated as 6.1 ppm. The dynamic range was estimated as 26 dB.
We also presented an optical scheme for a trace methane gas detection system using MIR LED in a hollow-core fiber
(HCF). When light from the MIR LED was focused on the HCF, the latter confines the interaction of light and methane
gas within a fiber core of 0.5 mm diameter. The 1-m-long HCF provided enhanced optical path, and optimum light-gas interaction. By employing direct absorption spectroscopy, the detection limit of methane gas concentration was extended to as low as 17 ppb, and the dynamic range was estimated as 42 dB. The 400-nm bandwidth of a MIR LED can cover all strong absorption lines in the vicinity of 3.3 μm.
英 文 關 鍵 詞 ： Gas Detection、Mid-infrared Light Emitting Diode、 Microstructured Infrared Fiber
科技部補助產學合作研究計畫成果精簡(進度)報告
計畫名稱：微結構光纖用於微量氣體偵測
計畫類別：□ 先導型 □ 開發型 ■ 技術及知識應用型 □創新營運模式產學合作計畫
計畫編號：MOST 107-2622-E-006-014 -CC3│
執行期間：107 年 06 月 01 日 至 108 年 05 月 31 日
執行單位：國立成功大學光電科學與工程學系
計畫主持人：崔祥辰
計畫參與人員：陳俊宇，蕭士傑，黃世樺，陳銘輝
研究摘要（500 字以內）
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中文摘要:
中文關鍵詞:氣體感測、中紅外發光二極體、微結構紅外多模光纖 一開始，我們先介紹並討論了兩個甲烷氣體檢測系統，其中一種使用中紅外(MIR)發光二極體 (LED) (λ=3.3μm)。由於甲烷是其中一種主要的溫室氣體，因此必須強調能有效監測甲烷濃度的系 統。作為同類產品中的第一種，採用了直接吸收方法。它包括光源、MIR LED、紅外光電探測器和 帶有適當氣體混合器系統的 20 毫米氣體腔體。 由於中紅外光是肉眼看不見的，需要通過熱像儀看到，導致光學對準非常耗時。因此我們選擇 一種微結構紅外多模光纖，而不是氣體腔體。光纖表面由大功率 Q 開關雷射加工，使光和甲烷分子 的相互作用發生在這種微加工光纖表面。檢測限值估計為 6.1 ppm。動態範圍估計為 26 dB。 之後我們做出了一種微量甲烷氣體檢測的光學系統，該系統使用的是中紅外發光二極體 (λ=3.3μm)，將其耦合進中空光纖。當 MIR LED 的光聚焦在 HCF 上時，可將光和甲烷氣體的相互作 用限制在直徑為 0.5 mm 的光纖芯內，而 1 米長的 HCF 提供了 MIR LED 增強的光路徑和最佳的光氣 相互作用。 原理的部分則是利用氣體的直接吸收光譜法，將甲烷氣體濃度檢測極限擴大到 17ppb，浮動範圍 估計為 42dB。此外由於 MIR LED 的 400 nm 頻寬可以覆蓋 3.3μm 附近的所有強吸收線，所以並不 會有找不到吸收線的情況，因此此系統可降低掌上型甲烷探測器的成本。人才培育成果說明：
共有兩位博士生(黃世樺、陳銘輝) 以及兩位碩士生(陳俊宇、蕭士傑)參與本計畫。黃世樺將業 界所學的經驗融入本計畫中，並與陳銘輝一起負責光路架設構想、改善整體結構以及準備相關儀器 與廠商聯絡。蕭士傑負責光路架設組裝，量測以及數據整理歸納，陳俊宇負責報告的撰寫。 兩位博士生將以此次計劃的經驗做為基礎，並在光路架設構想上學習改善儀器構造的能力並繼 續完成其博士學業。 兩位碩士生藉由此次產學合作的經驗，增加整體實驗儀器的架設與實驗結果量測的經驗，並加 以利用此經驗完成碩士學位。技術研發成果與技術特點說明：
微結構光纖用於微量氣體偵測
將中紅外 LED 安裝在帶有熱電（TE）模塊的封裝中，使 LED 芯片溫度穩定在 298K。再將中紅 外 LED 固定在雷射二極體的安裝座（Thorlabs LMF18）上，之後固定於溫控鋁板上。
而選用中紅外 LED 做為甲烷的檢測是因為其在 298K 溫度時，光譜圖如圖一與甲烷的吸收光譜如圖 二相類似。
圖二：甲烷吸收光譜
驅動部分使用電流源（Thorlabs LDC210）讓中紅外 LED 以準連續波（qCW）模式操作，qCW 模式意味著 LED 可以運行的負載週期為 50％，且響應時間短（10-50 ns）允許調製頻率高達數十 MHz。
接著使用訊號產生器（Rigol DG1022）以週期性方波模式發送到電流源，中紅外 LED 的光線使 用半英寸聚焦 CaF2 透鏡（焦距= 20 mm）到具有 TE 冷卻器（ε=2.0-5.4μm）（Thorlabs PDA10JT） 的 HgCdTe（MCT）PD 上，該 MCT PD 為交流耦合類型，適用於脈衝中紅外光。 當 PD 檢測到光信號後，使訊號通過增益可調諧放大器放大並發送到示波器或模擬-數字轉換器 記錄，與此同時，光信號被轉發到鎖模放大器，訊號產生器亦會向鎖定放大器發送參考信號，此時 輸出信號在鎖模放大器中解調並記錄。 在透鏡和紅外光偵測器之間再放上具有 20mm 長度的紅外光石英管，此處用意為使中紅外 LED 的光經過石英管之後，光波中的某些波長會被石英管中的氣體吸收，而由實驗數據可知氮氣對 甲烷來說是個良好的緩衝氣體，因此做出一個有兩個輸入以及兩個輸出的氣體管，輸入部分為 99.99%的氮氣瓶以及 1%甲烷 99%氮氣的混合氣體瓶，輸出部分與 20mm 長度的紅外光石英管相連 接，而為了能精確控制氣體濃度上，使用了流量控制器以及壓力計，能做出的最大甲烷濃度是 10,000 ppm。整體結構如圖三所示。
圖三：甲烷檢測系統 完成檢測系統之後，為了能減少光學校準所花費的時間，使用了多模中紅外 ZrF4 光纖並在其表 面利用 100 mJ 脈衝能量且頻率為 10 Hz 的 Q-開關的雷射加工做成 D 型光纖，芯徑為 100 μm，包覆 層直徑為 190μm，光纖結構如圖四。並用此光纖來進行光訊號的傳輸，將光纖通過石英管偵測吸收 的光訊號，整體結構如圖五。 圖四：D 型光纖結構示意圖
圖五：微結構紅外光多模光纖甲烷檢測系統
可利用之產業及可開發之產品：
1. 預計能使在地化的傳統製造業公司可以適時引入光纖感測器的光路設計的模組化與整合，並利 用此技術積極轉型，達到客製化，高價化的產品發展效果。 2. 此項技術有望能產出更方便的以及更精準的高科技產品，例如光纖式光學感測器。 3. 使甲烷排放量相關的產業能使用此系統，讓溫室氣體的排放能有效控制。推廣及運用的價值：如增加產值、增加附加價值或營利、增
加投資/設廠、增加就業人數………
等。
力凱機電股份有限公司(以下簡稱：力凱公司)從事多方面技術開發，如：感測器電路設 計、電子零件製作、零組件表面處理等。目前公司成員約 20 人(民國 106 年 11 月止)，研發人員約 5 人，目前市場以台灣、大陸為主。感測電路設計主要是針對使用者客製化設計量身訂製，因不同被 測物體來偵測出絕對值變化，所以會有各種不同的應用，也發展出不同類型的感測器，這也使得感 測器在不同利基市場大放異彩。目前隨著新興國家的崛起（如亞洲、拉丁美洲、印度），感測電路外 銷於境外，用於載具設備的自動化、工作安全及設備附加價值。因應產品供應鏈與成本考量，力凱 公司也開發自製微電阻零件，廠內有自有設備(沖孔機、封裝機、 電鍍槽等)可即時客製化零件，因 3C 產品近幾年熱銷，也帶動力凱公司產量提升。 我們採用的偵測方法簡單、穩定且低耗能，而力凱機電的業務範圍主要是一些應用材料的加測是否有氣體外洩的問題，以改善製程。對我們而言，力凱機電能給予們我材料及實驗上的幫助， 例如氣體管的加工和 D 型光纖的處理，理想上若是這個計畫能使此偵測器產品化，力凱機電有可 以有能力產出產品。 除此之外還會有以下幾點可實現的價值 1. 甲烷的偵測能幫助相關產業檢測在生產的流程中是否有氣體外洩的問題，以改善製程。 2. 有望能申請到將光譜檢測技術和紅外熱像儀技術應用在雷射焊接領域的相關專利。 3. 可以使光電方面的產業能製造相關感測的產品，並不只限於甲烷氣體。
處理方式：
立即公開
中華民國 108 年 8 月 12 日
計畫查核點自評表（請逐年填列）
一、本表為本計畫重要審查資訊，本表之期程可視產學合作計畫執行情況予以設定。(例如按月別、季 別、半年別等均可)。 重要工作項目 查核內容概述（力求量化表示） 廠商參與情形概述 第一季 第二季 第三季 第四季 第一季 第二季 第三季 第四季 A分項工作 直接吸收法 A1工作項目 A1-1A2工作項目 A2-1 A2-1
A3 工作項目 A3-1 A3-1
A4 工作項目 A4-1 A4-1 A4-1 A4-1 B分項工作 光纖感測法 B1工作項目 B1-1 B2工作項目 B2-1 B3 工作項目 B3-1 B3-1 B4 工作項目 B4-1 B4-1 (A) 直接吸收法 (A1-1) 將中紅外 LED 安裝在雷射支架上並固定在溫控鋁板上。 (A2-1) 製作一個含有兩個輸入口和兩個輸出口的 10 公升氣體管。 (A3-1) 利用平凸透鏡來使紅外光束聚焦並耦合在光偵測器。 (A4-1) 利用光偵測器接收訊號，利用放大器將訊號放大並傳送到示波器上記錄，接著同時將此訊號 被 送至鎖模放大器上，訊號產生器也傳輸一個參考訊號到鎖模放大器上，鎖模放大器會解調這些訊號 然 後紀錄。 (B) 光纖感測法 (B1-1) 利用脈衝雷射在光纖上的一小部分區域加工微結構。 (B2-1) 將光纖通過於氣體槽。
(B4-1) 利用光偵測器接收訊號，利用放大器將訊號放大並傳送到示波器上記錄，接著同時將此訊號 被 送至鎖模放大器上，訊號產生器也傳輸一個參考訊號到鎖模放大器上，鎖模放大器會解調這些訊號 然 後紀錄。 二、本產學合作計畫預估後續發展情形概述： 計畫執行及結束後之計畫如何配合追蹤管考、產品產出與開發規劃、預期可推廣至產業或市場之 成果、預估可授權商品、預估應用價值及產值、建立平台、主要發現等。 本計劃的目的是將我們實驗室現有的實驗技術，與力凱機電的研發能量相結合，將實驗技術模組 化，反射光譜學檢測和紅外光譜技術整合到現有的焊接儀器上。在本計劃中的研究重點是“高靈敏即 時監控光學偵測系統”，包含： (1)光纖感測器的光路設計。 (2)光纖感測器之材質品質，與光譜變化的品質檢測。 (3)光學監測系統模組化。 (4)監測安全措施規畫。 而力凱機電的研發團隊，預計將可以順利在計畫結束後，適時引入光纖感測器的光路設計的模組 化與整合再將其新的研發成果推向市場、創造產值。對於南部在地的傳統機電公司，可以在未來轉型 方面提供協助。 另外，在過去五年內，我們執行過四次執行過兩次國科會技術及知識應用型產學合作計畫。其中， 獲得電資通訊領域“產學成果優良獎”三次，以及“產學成果傑出獎”。每次計畫執行均有獲獎，感 謝工程司的鼓勵與支持以外，我們更有信心能達成目標。
本產學合作計畫研發成果及績效達成情形自評表
成果項目
本產學合作計畫預估研究成果及績效指標 （作為本計畫後續管考之參據） 計畫達成情形 技術移轉 預計技轉授權1項 完成技轉授權 1 項 專利 國內 預估1件 提出申請1件，獲得0件 國外 預估 0 件 提出申請0件，獲得0件 人才培育 博士2人，畢業任職於業界2人 博士2人，畢業任職於業界2人 碩士1人，畢業任職於業界1人 人 碩士1人，畢業任職於業界1 其他人，畢業任職於業界0人 其他人，畢業任職於業界0人 論文著作 國內 期刊論文0件 發表期刊論文0件 研討會論文0件 發表研討會論文0件 SCI論文0件 發表SCI論文0件 專書0件 完成專書0件 技術報告1件 完成技術報告1件 國外 期刊論文2件 發表期刊論文2件 學術論文0件 發表學術論文0件 研討會論文0件 發表研討會論文0件 SCI/ SSCI論文0件 發表SCI/ SSCI論文0件 專書0件 完成專書0件 技術報告0件 完成技術報告0件 其他協助產業發展 之具體績效 新公司或衍生公司0家 設 立 新 公 司 或 衍 生 公 司 ( 名 稱)：計畫產出成果簡 述：請以文字敘述 計畫非量化產出之 技術應用具體效 益。（限600字以 內） 在這項計畫中, 我們使用中紅外 (λ=3.3µm) 發光二極體的兩種甲烷氣體探測 系統，並且試著商業化。甲烷是主要的溫室分子之一, 但在現代生活中得到廣 泛應用。如何有效地監測甲烷濃度一直是重點。首先採用直接吸收法。它包括 一個光源(中紅外發光二極體)，紅外線光電探測器，以及一個 20 毫米的氣體腔 體與一個適當的氣體混合系統。輸出信號可以使用信號放大器或是鎖定技術進 行放大。希望檢測極限可推到 ppm 水準。中紅外發光二極體的輸出是肉眼看 不到的，可以用熱像儀來觀察，而且光學對準花費了很多時間。採用微結構紅 外多模光纖代替氣室。光和甲烷分子的相互作用發生在微細加工纖維表面。用 大功率調 Q 雷射器對光纖表面進行了加工。希望檢測極限可推到 ppm 水準。 請就研究內容與原 計畫相符程度、達 成預期目標情況作 一綜合評估 ■達成目標 □未達成目標（請說明，以 100 字為限） □實驗失敗 □因故實驗中斷 □其他原因 說明： 本研究具有政策應 用參考價值 ■否 □是，建議提供機關 (勾選「是」者，請列舉建議可提供施政參考之業務主管機關) 本研究具影響公共 利益之重大發現 ■否 □是 說明：(以 150 字為限)
107年度專題研究計畫成果彙整表
計畫主持人：崔祥辰 計畫編號：107-2622-E-006-014-CC3 計畫名稱：微結構光纖用於微量氣體偵測 成果項目 量化 單位 質化 （說明：各成果項目請附佐證資料或細 項說明，如期刊名稱、年份、卷期、起 訖頁數、證號...等） 國 內 學術性論文 期刊論文 2 篇1. Shin-Hua Huang, Yen-Jie Huang, and Hsiang-Chen Chui*, “Trace Methane Sensor using Mid-Infrared Light Emitting Diode in Hollow-Core Fiber,” Sensors and Actuators B Vol. 282, 599-602 (2019)
2.Shih-Hua Huang, Yen-Jie Huang, and Hsiang-Chen Chui*, “Fiber-Optic-Based Methane Detection Using Mid-Infrared Light Emitting
Diode,” IEEE Sensors Journal, Vol. 18, 6169-6174 (2018) 研討會論文 0 專書 0 本 專書論文 0 章 技術報告 0 篇 其他 0 篇 智慧財產權 及成果 專利權 發明專利 申請中 0 件 已獲得 0 新型/設計專利 0 商標權 0 營業秘密 0 積體電路電路布局權 0 著作權 0 品種權 0 其他 0 技術移轉 件數 0 件 收入 0 千元 國 外 學術性論文 期刊論文 0 篇 研討會論文 0 專書 0 本 專書論文 0 章 技術報告 0 篇 其他 0 篇
及成果 已獲得 0 新型/設計專利 0 商標權 0 營業秘密 0 積體電路電路布局權 0 著作權 0 品種權 0 其他 0 技術移轉 件數 0 件 收入 0 千元 參 與 計 畫 人 力 本國籍 大專生 0 人次 碩士生 2 陳俊宇，蕭士傑 博士生 2 黃世樺，陳銘輝 博士級研究人員 0 專任人員 0 非本國籍 大專生 0 碩士生 0 博士生 0 博士級研究人員 0 專任人員 0 其他成果 （無法以量化表達之成果如辦理學術活動 、獲得獎項、重要國際合作、研究成果國 際影響力及其他協助產業技術發展之具體 效益事項等，請以文字敘述填列。） 1. 目前相關論文已經有被引用。2. 目前力凱機電準備與 金屬中心合作，提出相關延伸應用的計畫。
本產學合作計畫研發成果及績效達成情形自評表
成果項目 本產學合作計畫預估研究成果及績效指標 （作為本計畫後續管考之參據） 計畫達成情形 技術移轉 預計技轉授權 1 項 完成技轉授權 1 項 專利 國內 預估 1 件 提出申請 1 件，獲得 0 件 國外 預估 0 件 提出申請 0 件，獲得 0 件 人才培育 博士 2 人，畢業任職於業界 2 人 博士 2 人，畢業任職於業界 2 人 碩士 1 人，畢業任職於業界 1 人 碩士 1 人，畢業任職於業界 1 人 其他 0 人，畢業任職於業界 0 人 其他 0 人，畢業任職於業界 0 人 論文著作 國內 期刊論文 0 件 發表期刊論文 0 件 研討會論文 0 件 發表研討會論文 0 件 SCI論文 0 件 發表SCI論文 0 件 專書 0 件 完成專書 0 件 技術報告 1 件 完成技術報告 1 件 國外 期刊論文 2 件 發表期刊論文 2 件 學術論文 0 件 發表學術論文 0 件 研討會論文 0 件 發表研討會論文 0 件 SCI/SSCI論文 0 件 發表SCI/SSCI論文 0 件 專書 0 件 完成專書 0 件 技術報告 0 件 完成技術報告 0 件 其他協助產業發展 之具體績效 新公司或衍生公司 0 家 設立新公司或衍生公司(名稱)： 計畫產出成果簡述 ：請以文字敘述計 畫非量化產出之技 術應用具體效益。 （限600字以內） 在這項計畫中, 我們使用中紅外 (λ=3.3µm) 發光二極體的兩種甲烷氣體探測系 統，並且試著商業化。甲烷是主要的溫室分子之一, 但在現代生活中得到廣泛應 用。如何有效地監測甲烷濃度一直是重點。首先採用直接吸收法。它包括一個光 源(中紅外發光二極體)，紅外線光電探測器，以及一個20毫米的氣體腔體與一個 適當的氣體混合系統。輸出信號可以使用信號放大器或是鎖定技術進行放大。希 望檢測極限可推到 ppm 水準。中紅外發光二極體的輸出是肉眼看不到的，可以用 熱像儀來觀察，而且光學對準花費了很多時間。採用微結構紅外多模光纖代替氣 室。光和甲烷分子的相互作用發生在微細加工纖維表面。用大功率調 Q 雷射器對 光纖表面進行了加工。希望檢測極限可推到 ppm 水準。 請就研究內容與原 計畫相符程度、達 成預期目標情況作 ■達成目標 □未達成目標（請說明，以100字為限） □實驗失敗 □因故實驗中斷 □其他原因本研究具有政策應 用參考價值 ■否 □是，建議提供機關 （勾選「是」者，請列舉建議可提供施政參考之業務主管機關） 本研究具影響公共 利益之重大發現 □否 □是 說明：（以150字為限）
