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中 華 大 學 碩 士 論 文

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(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目:塑膠微結構光纖氣體感測器之研製

Fabrication of Microstructured Polymer Optical Fiber Based Gas Sensor

系 所 別:機 械 工 程 學 系 碩 士 班 學 生 姓 名:M09608036 錢東佑 指 導 教 授:簡 錫 新 博 士 共同指導教授:馬 廣 仁 博 士

中華民國 九十八 年 七 月

(2)

中文摘要

傳統光纖應用於氣體感測器上,其最大的困境是在於光的模場與 氣體作用區域太小,吸收太微弱,影響感測訊號強度。塑膠光子晶體 光纖具微結構的特性,提供了極佳的條件做為高靈敏度的氣體感測 器,其最大的優勢在於多孔結構提供了極佳的環境,微小的氣體濃度 變化即可獲得高靈敏度測試結果,因光與氣體發生作用的長度及重疊 作用的機會增加了。塑膠光子晶體光纖的包層亦無需特別處理,可顯 著改善製程的穩定性。

將以堆疊及抽拉法製作出塑膠光子晶體光纖,先將光子晶體光纖 放置於真空腔體以移除吸附光纖內的水氣,接著通入待測氣體包括氧 氣、氮氣和乙炔進入腔體中。本研究所使用光源是650 nm 雷射可即 時量測氣體吸附所造成光子晶體光纖傳輸能量衰減之變化,研究中也 將探討塑膠光子晶體光纖的空孔率對氣體擴散及對光纖傳輸損失之 影響。結果顯示光子晶體光纖空孔率愈大愈有助於氣體吸附,因此增 大能量損失變化。乙炔較易吸附在塑膠光子晶體光纖上,因此量測到 傳輸損失比其他氣體高。

關鍵字:塑膠光子晶體光纖、傳輸損失、氣體感測

(3)

Abstract

The polymer optical fiber based sensors have been employed in gas sensing.

However, such fiber sensors suffer from a poor overlap between the gas volume and the mode field of the propagating light, which results in weak absorption and therefore long length fibers are required. The advantages of using photonic crystal fibers (PCFs) as gas sensors include large overlap and long optical path interaction between the gas and light mode field and only a slight change in gas concentration is required. It is not necessary to do extra treatment on the cladding layer or fibers for the fabrication of PCFs sensors, which significantly improves the process stability.

This polymer photonic crystal fibers were fabricated by stack and draw process. The PCFs were put into a vacuum chamber to remove the adsorbed water vapors and followed by purging target gases including O2, N2 and C2H2

into the chamber. The time dependent transmission loss of PCFs due to the gases adsorption can be measured by using 650 nm laser as the light source.

The influence of holes structure on the gas diffusion and transmission loss of polymer PCFs was discussed. The result shows the PCFs with a higher fraction of holes structure favors more gases to be absorbed, and hence enhanced the transmission loss of PCFs. The measured gas adsorption induced transmission loss of polymer PCFs is greater for C2H2 than that of other gases.

Keyword: polymer photonic crystal fiber, transmission loss, gas sensor

(4)

致謝

首 先 要 感 謝 指 導 教 授 簡 錫 新 博 士 和 共 同 指 導 教 授 馬 廣 仁 博士,於我研究所這兩年歲月裡,讓學生我學習到專業知識和培養實 作的經驗,在此對老師致上我最誠摯的敬意及謝意。口試期間承蒙口 試委員淡江大學 趙崇禮博士、醒吾技術學院 陳大同博士和中正理工 學院 陳盈同博士授予許多珍貴的建議與指導,使得本論文內容更加 充實完整。

研究所期間,感謝學長志燁、建煌、書瑋、元魁、和政、錦坤和 鈞泓的不時關心和叮嚀,此外博專班學長泓鈞提供的經驗之談,對於 以後的生涯規劃給予寶貴的建議和意見。同學國丞、立廷、建超、麟 凱和易穎在實驗上適當的幫忙與協助,及聯合大學志忠對於論文方面 的討論,學弟文彥、緒之以及其他實驗室好友們的陪伴,使我的生活 極富有樂趣。

最後,感謝父母在這二十幾年來辛苦的栽培和付出,家人和好友 的扶持,因為你們的鼓勵與支持得以順利完成學業,在此和你們一起 分享我的喜悅。

(5)

目錄

中文摘要... I 英文摘要...II 致謝...III 目錄... IV 表目錄... VII 圖目錄...VIII

第一章 前言...1

第二章 文獻回顧...3

2.1 傳統光纖...3

2.1.1 光纖簡介...3

2.1.2 光纖結構...3

2.1.3 光纖分類...5

2.1.4 光纖損耗...7

2.2 光子晶體與光子晶體光纖 ...11

2.2.1 光子晶體簡介...11

2.2.2 光子晶體光纖...13

2.2.3 光子晶體光纖能量損失...15

2.3 聚合物微結構光纖...16

(6)

2.3.1 聚合物的定義...16

2.3.2 塑膠材料特性...17

2.3.3 塑膠微結構光纖...19

2.4 光纖感測器...21

2.4.1 光纖感測器的分類...21

2.4.2 光纖氣體感測器之原理...22

2.4.3 光子晶體光纖氣體感測器之應用 ...26

第三章 實驗方法...29

3.1 實驗流程圖...29

3.2 實驗步驟...30

3.2.1 預形體製作...30

3.2.2 升溫燒結...31

3.2.3 抽製初步預形體...31

3.2.4 抽製微結構光纖...31

3.2.5 微結構光纖裁切與觀察...32

3.2.6 氣體感測實驗和量測...32

3.3 實驗設備...32

3.3.1 超音波洗淨機...32

3.3.2 預形體燒結爐...33

(7)

3.3.3 管型加熱爐和溫度控制器...34

3.3.4 抽絲馬達裝置...36

3.3.5 掃描式電子顯微鏡(SEM)...37

3.3.6 半導體雷射光源...38

3.3.7 光纖耦合器...38

3.3.8 光功率計...39

3.3.9 光纖氣體感測室...39

第四章 結果與討論...40

4.1 塑膠微結構光纖空孔率對氣體感測器靈敏度之影響 ...40

4.2 真空處理對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響 ...46

4.3 不同氣體對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響 ...47

4.3.1 氮氣對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響 ...48

4.3.2 氧氣對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響 ...49

4.3.3 乙炔對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響 ...50

4.3.4 三種氣體對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之比較 ...51

第五章 結論...53

第六章 參考文獻...55

(8)

表目錄

表2.1 一些常見氣體吸收波長...24 表4.1 不同空孔率的微結構光纖...41 表4.2 光纖氣體感測器檢測結果...48

(9)

圖目錄

圖2.1 光纖結構圖 ...4

圖2.2 全反射原理 ...4

圖2.3 (a)單模態光纖結構 ...6

圖2.3 (b)多模態之光纖結構...6

圖2.4 階躍式光纖折射率分佈 ...6

圖2.5 單模和多模光纖的特性 ...7

圖2.6 光纖損耗原因 ...8

圖2.7 光纖的損耗曲線 ...9

圖2.8 散射損耗曲線圖 ...10

圖2.9 布拉格反射鏡的基本構造 ...12

圖2.10 光子晶體結構分類 ...12

圖2.11 實心蕊光子晶體光纖顯微組織圖 ...14

圖2.12 空心蕊光子晶體光纖顯微組織圖 ...14

圖2.13 (a)線狀高分子的形狀...18

圖2.13 (b)網狀高分子的形狀...18

圖2.14 塑膠微結構光纖顯微組織圖 ...20

圖2.15 塑膠微結構種類 ...20

圖2.16 (a)PMMA 塑膠光纖能量損失曲線...21

(10)

圖2.16 (b)氟聚化物塑膠光纖能量損失曲線...21

圖2.17 (a)非本質型光纖感測器基本形式...22

圖2.17 (b)本質型光纖感測器基本形式...22

圖2.18 吸收型光纖氣體感測器工作原理 ...23

圖2.19 螢光型氣體感測實驗裝置圖 ...25

圖2.20 實心蕊光子晶體光纖顯微組織圖 ...28

圖2.21 空心蕊光子晶體光纖顯微組織圖 ...28

圖2.22 消逝波型氣體感測實驗裝置圖 ...28

圖3.1 實驗流程圖 ...29

圖3.2 裁切 PMMA 毛細管和圓棒 ...30

圖3.3 微結構光纖預形體 ...31

圖3.4 超音波洗淨機 ...33

圖3.5 預行體燒結爐 ...33

圖3.6 管型加熱爐 ...34

圖3.7 溫度控制器 ...35

圖3.8 管型加熱爐 ...35

圖3.9 溫度控制器 ...36

圖3.10 抽製馬達 ...36

圖3.11 電阻式調節器...37

(11)

圖3.12 掃描式電子顯微鏡 ...37

圖3.13 半導體雷射光源 ...38

圖3.14 光纖耦合器 ...38

圖3.15 光功率計 ...39

圖3.16 光纖氣體感測室 ...39

圖4.1 光纖空孔率量測示意圖 ...42

圖4.2 不同空孔率的能量損失變化圖 ...42

圖4.3 塑膠實心蕊微結構光纖顯微組織圖(空孔率 0.47) ...43

圖4.4 塑膠實心蕊微結構光纖顯微組織圖(空孔率 0.52) ...44

圖4.5 塑膠實心蕊微結構光纖顯微組織圖(空孔率 0.59) ...45

圖4.6 無真空處理和真空處理能量損失變化圖 ...46

圖4.7 通入氮氣後能量損失變化圖 ...49

圖4.8 通入氧氣後能量損失變化圖 ...50

圖4.9 通入乙炔後能量損失變化圖 ...51

圖4.10 三種待測氣體能量損失變化圖 ...52

(12)

第一章 前言

光纖感測器是 20 世紀發展出的一種新技術,它可以測量不同參 數以進行檢測,如檢測濃度和光強度的氣體感測器、檢查pH 值和離 子化學感測器等等,像一些高分子光纖、多組成份玻璃光纖和熔石英 光纖都可用於光纖感測器上。近來年高分子光纖不斷的發展和創新,

能量損失也低於傳統光纖,因此高分子光纖將可取代傳統光纖應用於 光纖感測器上。

傳統光纖大部分都是以石英玻璃材料為主,雖然可以達到能量損 失極低的好處,但由於彎曲、耦合不易造成的能量損失等問題未能有 效的改善,使其效率明顯降低。因此應用於氣體感測器上,最大困境 在於光的模場與氣體作用區域大小,導致吸收力太差,影響感測訊號 的強度,因此需要較長的光纖來進行感測,而製作過程穩定性仍不太 理想,使其產品在未來發展受到限制。相對地,以聚合物材料為主的 光纖,有體積小、重量輕、成本低、易彎曲等等優點,但對於能量損 失較大的問題善未能解決。直到 2001 年 Eijkelenborg 等人[1]利用高 分子聚合PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)成功製造出塑膠微結構光纖,大 大降低塑膠光纖的能量損失。塑膠光子晶體光纖具有微結構的特性,

可製作高靈敏度的光纖氣體感測器以提供了極佳的條件,其最大的優 勢在於多孔結構提供了感測的區域,微小的光強度變化即可獲得實驗

(13)

結果。而塑膠光子晶體光纖的包層亦無需特別處理,可顯著改善製程 的穩定性。

由於塑膠微結構光纖最近幾年來才被成功製造出,因此被應用於 氣體感測器上的研究非常有限。本研究主要是利用 PMMA 為材料製 造出實心蕊塑膠微結構光纖,將裁切後的光纖放至真空腔體,接著通 入不同的待感測氣體。實驗中將探討不同氣體擴散對光纖造成傳輸損 失的影響。

(14)

第二章 文獻回顧

2.1 傳統光纖

2.1.1 光纖簡介

傳統光纖大部分是用多成分玻璃材料組成,最初光纖衰減高過 1000 dB/km,能量損耗過大,因此只適合短距離的傳輸。直到 1966 年,英國華人高錕和 Hockham 利用帶有包層材料的石英玻璃光纖來 進行光的傳輸,發現其能量衰減可以低於 20 dB/km。到了 1970 年美 國康寧公司Maurer 等人首先成功製作出損耗為 20 dB/km 的光纖[2],

實現長距離的光纖通訊,也正式為光纖通訊上應用奠定了基礎。隨著 損耗低於20 dB/km 的光纖陸續出現,更為光纖通訊於帶來嶄新的未 來。

2.1.2 光纖結構

光纖是屬於介電材料的一種,結構主要是由纖蕊(Core)和纖殼 (Cladding)組成,其結構如圖 2.1 所示。由於光纖本身相當脆弱,因此 在光纖外圍會披覆上一層保護層(Jacket),以增強光纖的強度[3],避 免直接接觸到外界環境而所造成的干擾 。其傳輸原理是利用纖蕊折 射率高於纖殼折射率而產生全反射效應,進行光的傳輸。所謂全反射 即是當光慢慢接近於光纖端面時會在纖蕊及纖殼的交界面,經過反射

(15)

殼,光能量將全部侷限於纖蕊中傳輸,這種現象稱為全反射如圖 2.2 所示。其關係式如下[4]:

NA= n2core −n2cladding

其中NA 為數值孔徑(Numerical Aperture),其值決定於纖蕊和纖殼的 折射率。當NA 值愈大,光纖受光能力愈好,但相對地在纖殼外部端 面上其光損失也愈大。

圖 2.1 光纖結構圖[3]

圖 2.2 全反射原理[4]

(16)

2.1.3 光纖分類

光纖分類方式很多,主要可以依據光的傳播模態、纖蕊剖面折射 率分佈等加以分類[5、6、7]:

光的傳播模態來分類

(1) 單模態光纖(Single Mode Fiber)

單模態光纖僅用單一模態傳輸訊號,並無模態擴散問題存 在,因此適合用來長距離的傳輸。為了減少模間色散的問題可 利用減少纖蕊尺寸的方式,直到光纖僅能有效地傳輸一個模態即 可解決。所以單模態光纖尺寸極微小,纖蕊直徑約為9 至 10 μm,

纖殼直徑約為125 μm,如圖 2.3(a)所示。

(2) 多模態光纖(Multi Mode Fiber)

多模態光纖是以多種模態在傳輸,每一模態因傳播速度不 同,造成傳輸時呈現快速與緩慢的差異,且隨同行進距離增大而 逐漸擴散,故無法向遠處傳播。其纖蕊直徑約為50 μm,纖殼約 為100 μm,如圖 2.3(b)所示。

(17)

單模態光纖 多模態光纖

n

1

n

1

n

2 折射率

n

2

(a) (b)

圖2.3 (a)單模態 (b)多模態之光纖結構[5]

1. 纖蕊剖面折射率分佈

(1) 階躍式光纖(Step Index Fiber)

階躍式光纖其纖蕊折射率 n1是常數。纖殼折射率 n2略低於 n1,兩種折射率成階躍式變化,如圖 2.4 所示。

(a) 階躍單模光纖

(b) 階躍多模光纖 n1

n2 n2

n1

折射率

圖2.4 階躍式光纖折射率分佈[6]

單位:μm

(18)

(2) 漸變式光纖(Graded Index Fiber)

漸變式光纖其纖蕊折射率不是常數,延著中心向外逐漸變小 呈現梯度分佈,使得這種光纖具有小的色散和低的衰減,其性能 特徵比階躍式光纖好,如圖2.5 所示。

圖2.5 單模和多模光纖的特性[7]

2.1.4 光纖損耗

光纖本身脆弱易受到外界環境影響而造成損耗,因此光波在光纖

中傳輸,其傳輸距離長短決定於光纖損耗高低,所以損耗決定了光纖 通訊可被傳輸的最大距離。

形成光纖損耗原因很多,有些損耗用測量難以估計,因此降低損 耗主要依賴於製作光纖的技術提高和對光纖材料性質的研究等。主要 損耗原因可分為材料本身內部所造成的吸收損耗和散射損耗兩種,如

(19)

圖2.6 所示。還有來自外部條件而影響光纖結構的不完善所造成彎曲 損耗[8]。

圖2.6 光纖損耗原因[9]

1. 吸收損耗[8]

光纖通訊主要是利用光纖來傳輸訊號,在傳輸過程中有三個

原因會造成光功率損失而產生雜訊,其一是本質吸收,二是雜質 吸收,三是原子缺陷吸收。

(1) 本質吸收:由光纖材料本身對光波的吸收而造成的損耗。

損耗

吸收損耗

散射損耗

離子的吸收

本質吸收

製作缺陷

其他散射

過渡金屬離子 OH-離子 紫外線吸收 紅外線吸收

折射率分佈不均勻

瑞利散射 氣泡、塵埃

拉曼散射

光纖端面不平整

(20)

(2) 雜質吸收:由於一般光纖中可能含有鐵、鈷、鎳、銅、鉻等過鍍 金屬和水的氫氧根離子(OH-),這些雜質殘留在光纖中會造成額外

的吸收損耗。含量越多,造成損耗就越大。降低光纖材料中過渡 金屬的含量,同時也可以降低吸收損耗大小。 圖 2.7 為某多模光 纖的損耗曲線,其中三個吸收峰就是由OH-造成的。

圖 2.7 光纖的損耗曲線[8]

(3) 原子缺陷吸收:主要是由製作光纖的加熱過程或輻射能對玻璃材

料造成材料本身內部受激發後而產生原子的缺陷,引起吸收光 能,造成損耗。

2. 散射損耗[8]

光纖材料表面粗糙度以及各組成成分濃度不同,使得光纖中 出現折射率分佈不均勻的局部區域,因而引起光的散射,將一部 分光從光纖散射到外部。因此引起散射損耗,其中以材料本身的

(21)

折射率不同而造成瑞立(Rayleigh)散射,損耗與波長四次方成反

比。圖 2.8 為散射損耗曲線圖,可見瑞立散射損耗隨波長λ的增 大而快速的減小。

圖 2.8 散射損耗曲線圖[8]

3. 光纖彎曲損耗[10]

光纖彎曲損耗是由光纖材料本身的瑕疵所引起的損耗。大致 上可分為宏彎曲損耗和微彎曲損耗兩種。

(1) 宏彎曲損耗:即光纖彎曲的曲率半徑大於 1 cm 而引起的彎曲損

耗。當部分光存在纖殼中,光纖有彎曲段時,外側會有部份光會 向外散失。

(2) 微彎曲損耗:通常是指光纖彎曲的曲率半徑長度在微米以內,造

(22)

成部份傳輸模態改變而產生彎曲損耗。

2.2 光子晶體與光子晶體光纖 2.2.1 光子晶體簡介

光子晶體的概念最早是由美國麻省理工學院 E. Yablonovitch 教 授[11]在 1987 年所提出,是以減少目前雷射浪費於自發放射的能量為 由,構思新的雷射結構,發現一些具有光子能隙效應的3D 週期性介 電結構如果互相重疊到,則自發放射是可以被禁止的。之後,加拿大 多倫多大學S. John 教授[12]也提出,電子可被有缺陷的晶格侷限,因 此推設光子也應可能被這種結構的缺陷所侷限。經過兩位學者的研究 討論,光子晶體因此而得名。

光子晶體有一個重要特性是它獨有的光子能隙(Photonic Band Gap)現象,可以讓特定波長的光在光子晶體光纖無法傳播。以目前普 便應用於垂直共振腔面射型雷射中布拉格反射鏡(DBRs)。布拉格反射 鏡是由一對不同折射率且厚度分別為四分之一波長的介電物質所堆 疊起來的[13],如圖 2.9 所示。

(23)

圖2.9 布拉格反射鏡的基本構造[13]

光子晶體的結構可分為一維(1D),二維(2D),三維(3D)結構,判 斷的結構在幾個方向具有週期性排列而定,如圖 2.10 所示。一維的 光子晶體即為單一方向的折射率週期性變化,與二維光子晶體目前被 廣泛應用到實際元件上,而三維光子晶體目前仍注重製程方式的研究 與發展。

圖 2.10 光子晶體結構分類[13]

(24)

2.2.2 光子晶體光纖

一般傳統光纖是使用纖蕊和纖殼的折射率差異,產生全反射原 理,將光波侷限於纖蕊中傳播。而光子晶體光纖則是利用光子能隙的 特性,將光波侷限於光子晶體的缺陷中。缺陷可以為介電物質或著空 氣[14]。

光子晶體光纖的概念最先是由 Russell 等人根據光子晶體原理在 1991 提出,它是在石英光纖中沿軸向均勻排列著空氣孔,從光纖端

面看存在週期性的二微結構,如果其中一空孔遭到破壞和缺失,則會 出現缺陷,光能夠在缺陷傳輸。因此又被稱為多孔光纖(Holey Fiber) 或微結構光纖(Micron Structure)[15]。在 1996 年,英國南安普頓大學

的 Knight[16]等人,利用二氧化矽(SiO2)成功製作出空隙大小約 0.2-1.2μm,六角形週期性光子晶體光纖,如圖 2.11 所示。只要控制

在抽制時的溫度,即可以控制空孔的大小。之後Russell[17]等人,在 1999 年提出,早期的實心蕊光子晶體光纖,靠的是全反射效應而非 光子能隙效應侷限光在纖蕊傳遞,再同一年的 9 月,才成功製作以光 子能隙效應將光侷限在纖蕊傳遞的空心蕊光子晶體光纖如圖 2.12 所 示。

(25)

圖2.11 實心蕊光子晶體光纖顯微組織圖[16]

圖 2.12 空心蕊光子晶體光纖顯微組織圖[17]

最近幾年,光子能隙的光子晶體光纖以不拘泥於傳統的六角形結 構,在2004 年 Yu 等人[18]提出,利用 2D 正方形結構排列成的光子 晶體光纖,也具有光子能隙的特性。

(26)

2.2.3 光子晶體光纖能量損失

光子晶體光纖的能量損失主要影響的因素決定於散射損失和 OH-吸收損失。而散射損失是由空孔內部表面粗糙度和光纖橫斷面能 量分佈所引起的。藉由使用研磨、蝕刻、脫水的過程,可以減低散射 損失和OH-損失[19]。在 2002 年,Farr 等人[20]提出利用兩個衰減為 0.58 dB/km 的光子晶體光纖於波長 1.55 μm 量測,作其能量損失的比 較,發現除了散射損失和OH-損失外還有額外因素號會造成光子晶體 光纖的能量損失。之後Tajima[21]等人提出,其額外因素為光子晶體 光纖本身內部所造成的吸收損失,其吸收損失包括紅外線吸收和UV 吸收損失,其關係式如下:

α= A4

λ +B+C

其中 A 為瑞立散射係數,B 為瑕疵所造成的損失,C 為吸收損失。

到了2004 年,Tajima[22]等人提到,傳統石英玻璃光纖再製作時會造 成瑞立散射損失嚴重,其原因可能是堆疊毛細管時所使用的方式,而 造成毛細管表面小刮痕或著有汙染物附著,影響毛細管表面的粗糙度 改變,而造成額外的損失。因此藉著拋光、蝕刻方式,處理毛細管表 面,可以有效地降低毛細管表面粗糙度所造成的能量損失。同年 Nielsen[23]等人提出,證實以 VCD 製程出的光子晶體光纖,在量測

(27)

波長1550 nm 其能量損失已低於 1 dB/km。由此製造技術在進步和改 善,光子晶體光纖能量損失方面已逐漸優於傳統光纖,在未來可能會 取代傳統光纖的位置,成為新世代光纖通信的主軸。

2.3 聚合物微結構光纖 2.3.1 聚合物的定義

聚合物又稱高分子化合物,是由分子量非常大的化合物形成。也 可以寫成( -CH2-CH2-),CH2 = CH2之類成微高分子基礎的低分 子化合物稱為單體(Monomer),使之成為高分子的反應或操作稱為聚 合(Polymerization),聚合而成的化合物。以聚合物種類數量來分可分 為單獨聚合物(Homo Polymer)、共聚合物(Copolymer)、三元聚合物 (Terpolymer)。聚合物的性質也因共聚合物中的單體排列而異,其排 列如下[24]:

(1) 交替聚合物(Alternating Copolymer),是 A 單體與 B 單體共聚合 時,如下有規則的排列:

……-A-B-A-B-A-B-……

(2) 隨意聚合物(Random Copolymer),是沒有規則排列如下:

……-A-A-B-A-A-A-B-B-A-B-A-B-……

(3) 接枝聚合物(Graft Copolymer),是先 A 單體聚合,在加 B 單體而 聚合,宛如在樹幹(A 聚合物)接上其他樹枝(B 聚合物)。排列如下:

(28)

B-B-B-B-……

-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-……

B-B-B-B-……

(4) 團塊聚合物(Block Copolymer),是 A 單體或 B 單體排成塊狀結合 的聚合物,排列如下:

-A-A-A-……B-B-B-B-……A-A-A……

2.3.2 塑膠材料特性

塑膠是由分子量很大的有機化合物所組成,以熱、壓力等方式而 將具有流動性物質成形為最終的固體狀態。簡單說其實塑膠是由多種 化學原料利用化學反應合成的,因此也可以稱為合成樹脂。當然,特 徵是隨合成樹脂而異,不過共同特點如下幾點[24]:

(1) 重量輕。

(2) 耐水、耐油、耐蝕性強。

(3) 耐熱性比有機物質佳。

(4) 原料種類多,價格低廉。

(5) 光澤、透明、半透明性良好。

塑膠的特徵是可借助於熱或壓力而自由造形,而且最終製品的性質因 用途不同而異,但大致上可分類為以下種類[25]:

(29)

(1) 熱塑性和熱固性

高分子物質形狀有線狀分子和多種線狀分子連接而形成網 狀結構等如圖 2.13 所示。熱塑性,其結構為線狀分子的聚合體,

加熱至軟化亦容易固化成形,且可以重複成形。熱固性,為網狀 構造,因此加熱到一定溫度會產生固化且不會溶解,只能成形一 次。

圖2.13 高分子的形狀 (a)線狀 (b)網狀[25]

(2) 高分子的結晶性

結晶是指分子規列地排列集成者,一般來說排列規則的稱為 結晶,排列不規則稱為非結晶。

(3) 共聚合

共聚合是同時將兩種單體聚合物以不同比例排列而成的聚 合物體。

(a) (b)

(30)

2.3.3 塑膠微結構光纖

2001 年 Eijkelenborg[1]等人,利用 PMMA 材料排列成四層環狀

結構,加溫至 175℃,以 10 m/min 的速度成功抽制出塑膠微結構光纖 (圖 2.14),並且證實此微結構光纖具有單模的傳輸行為。在製程材料 的成本方面都比傳統塑膠光纖和玻璃微結構光纖還來的低,對未來光 纖通信帶來一種的新的方法。爾後 2002 年 Eijkelenborg 等人[25]提 出,塑膠微結構光纖的種類有很多種,包括很多類型的單模態、高折 射率、雙纖蕊、非線性、階變式多模、空纖蕊等塑膠微結構光纖如圖 2.15 所示,這些微結構光纖主要是改變其排列方式,而有不同的空孔 結構。2006 年 Polishuk[26]將塑膠光纖在不同波長下能量損失做比較

如圖2.16 所示。圖 2.16(a)可發現 PMMA 塑膠光纖在波長 530 nm 至 570 nm 之間,其能量損失有擴大的趨向,原因可能是受到溫度變化

的影響,其能量損失為 90 dB/km,在波長 650 nm,其能量損失為 125 dB/km。圖 2.16(b)可以看到氟化聚合物塑膠光纖在波長 650 nm 和 1300 nm 之間,其能量損失低於 50 dB/km,以降低塑膠光纖在長波長 下的能量損失。由此可知道加入添加物於塑膠光纖中可明顯降低其能 量損失,對未來應用在長波長下做傳輸介質有很大的進步。

(31)

圖2.14 塑膠微結構光纖顯微組織圖[1]

單模態 雙纖蕊

高折射率 漸變式多模 圖2.15 塑膠微結構種類[26]

(32)

圖2.16 (a)PMMA 塑膠光纖 (b)氟聚化物塑膠光纖能量損失曲線[27]

2.4 光纖感測器

2.4.1 光纖感測器的分類

自 1970 年光纖感測器開始發展以來,即被視為優良的感測元件 之一,主要是光纖本身具備成本低、低損耗、重量輕、易彎曲、抗雜 訊能力佳等多項優點,這些優點促使光纖感測器技術隨著時代演進一 直在進步。

光纖感測器就是利用光纖將待測區內部光強度變化,經由光纖將

光波信號傳至偵測器進行訊號檢測,從而獲得待量測值。基本上,光 纖在感測器上的應用,以作用區分可分為兩種[27]:

(1) 非本質型感測器(Extrinsic Sensor)

此類型的感測器,光纖只是用來傳輸訊號,將訊號傳至其他 感測元件以量測待測物的物理或化學變化。其量測方式可分為兩 種,其一是取決於在化學劑上與光與待測物相互反應而量測,另

(33)

一個是使用轉變器將化學藥劑從氣體中穿過將訊號傳輸至偵測 器。如圖2.17(a)所示。

(2) 本質型感測器(Intrinsic Sensor)

大部分的光纖感測器都是屬於此種類型。此類型是利用光纖 本身的特性,利用光纖來感測被測物的種類,如圖2.17(b)所示。

(a) (b)

圖 2.17 光纖感測器基本形式(a)非本質型(b)本質型[28]

2.4.2 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

(34)

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]

(35)

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

(36)

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

(37)

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。

2.4.3 光子晶體光纖氣體感測器之應用

由於光子晶體光纖近幾年才發展出來,以光子晶體光纖作為氣體 感測器的文獻相當有限。大部分都是用傳統光纖來當作光纖氣體感測 器的元件。直到 2003 年 Hoo 等人[35],利用實心蕊光子晶體光纖 (圖 2.20)包層於氣孔裡,使通過纖蕊的光產生消逝波於氣孔中的樣品 發生相互作用,這樣就避免因為光纖表面粗糙導致的能量損失。由於 這種光子晶體光纖中消逝波與材料的相互作用幾乎是重合的,因此只

(38)

要增加光纖長度,就能提高光與物質的作用。之後,2004 年 Hoo 等 人[36]提出,利用空心蕊光子晶體光纖(圖 2.21)進行乙炔擴散檢測實 驗,實驗裝置架構如圖2.22 所示。實驗中所使用光纖長度為 10 cm,

纖蕊直徑約為10.5 μm,纖殼中空孔直徑約為 3.3 μm。在氣體感測室 內加入待感測氣體乙炔(12C2H2),等到乙炔佈滿於氣體感測室時,在 乙炔的吸收峰波長 1532.8312 nm 上,利用分散反饋式雷射發出信號 並將光的調制頻率保持為10.33 Hz。由實驗算出乙炔氣體在實驗量測 的 擴 散 係 數 D=0.17552 cm2/s , 這 與 乙 炔 在 空 氣 中 的 擴 散 係 數 ( 0.17774 cm2/s)接近。實驗証實利用空心蕊光子晶體光纖比實心蕊光 子晶體光纖作光纖感測器具有更高檢查靈敏度,原因可能是空心蕊光 子晶體光纖具有較大的纖蕊直徑,可以有效讓氣體擴散進去來進行檢 測。。2004 年 Ritari 等人[37]的研究發現光子晶體光纖對於一些難以 吸附的氣體,如甲烷和氨氣等氣體的檢測靈敏度很多,實驗中發現光 纖最佳長度和待檢測分子物質濃度有關。對於有較弱的吸收峰及濃度 較低的氣體需要較長的光纖以做檢測。光能隙光纖波長可使用的範圍 為400 到 2550 nm,由於波長範圍寬廣,十分有利於多樣氣體同時偵 測。Ritari 等人也強調實驗時須先將裁剪後的光子晶體光纖放入真空 腔體,去除原先空孔內吸附的水氣,接著在較高壓下填充待感測之氣 體以避免雜訊。証實光子晶體光纖將可應用於氣體感測器上。

(39)

圖 2.20 實心蕊光子晶體光纖顯微組織圖[36]

圖 2.21 空心蕊光子晶體光纖顯微組織圖[37]

圖2.22 消逝波型氣體感測實驗裝置圖[37]

PC

DFB Laser PBF

氣體室 光探測器

多模光纖

單模光纖

(40)

第三章 實驗方法

3.1 實驗流程圖

本研究的實驗規劃和流程如圖3.1 所示。

圖3.1 實驗流程圖 PMMA 毛細管堆疊成正六角

週期性結構

預形體升溫燒結

抽製初步預形體

抽製微結構光纖

OM/SEM 觀察光纖結構

製作光纖氣體感測器

氣體感測實驗與量測

結果與討論

檢查初步預 形體完整性

YES NO

(41)

3.2 實驗步驟 3.2.1 預形體製作 (1) 裁切

將外徑10 mm 內徑 8 mm 的 PMMA 毛細管裁切成所需要長 度15 cm,如圖 3.2 所示。

圖3.2 裁切 PMMA 毛細管和圓棒

(2) 清洗

將PMMA 毛細管利用超音波洗淨機震洗,以防止圓管內的 雜質殘流。

(3) 毛細管堆疊和緊束

將數支毛細管堆疊成正六角週期性結構,且將正中央毛細管 替換為直徑及長度尺寸皆相同的實心 PMMA 圓棒,並在預形體 外層加以適當的緊束,以防止升溫燒結過程中,因受熱膨脹而產

(42)

生的變形,如圖3.3 所示。

圖3.3 微結構光纖預形體

3.2.2 升溫燒結

將以堆疊和緊束完成的預形體放入 Lindberg/Blue M 的燒結爐,

以每分鐘 1℃升溫至 110℃並持溫 3 hr 去除水氣,之後再以每分鐘 1℃升溫至 140℃並持溫 2 hr 進行擴散燒結。

3.2.3 抽製初步預形體

將燒結完成的預形體放置管型加熱爐內,並且施以適當荷重抽製 初步預形體,並觀察內部結構是否完整。

3.2.4 抽製微結構光纖

將抽製完成的預形體利用放大鏡初步觀察內部結構是否完整,再 裁切一段約15 cm 的預形體,放入抽絲用的管型加熱爐中,進行二次

(43)

3.2.5 微結構光纖裁切與觀察

將已抽絲完成的微結構光纖,裁切一段約 1 cm 的長度以 SEM 進

行觀察,為了避免纖蕊和纖殼孔洞因為裁切而造成孔洞阻塞,而影響 觀察結果,所以選擇薄刃刀片來做微結構光纖裁切。

3.2.6 氣體感測實驗和量測

將微結構光纖放入真空腔體中加以固定,以半導體紅光雷射當作 光源,利用透鏡將波長為650 nm 的雷射光聚焦耦合於微結構光纖端 面中,在通入待測氣體數分鐘,並以光功率計量測氣體吸附於微結構 光纖上光強度變化。實驗中為了避免裁切過程中造成微結構光纖端面 的不平整,所造成的光功率損失,因此本實驗將量測完的光纖再裁切 一次後進行第二次測量,重複三次實驗取測量值的平均值。

3.3 實驗設備

3.3.1 超音波洗淨機

圖 3.4 為本實驗清洗 PMMA 毛細管的設備是採用 BRANSON 所 生產型號為3510 的超音波洗淨機。

(44)

圖3.4 超音波洗淨機

3.3.2 預形體燒結爐

本實驗設備是由森積科技有限公司所代理 Lindberg/Blue M 熱風 循環燒結爐,最高加熱溫度可達300℃,如圖 3.5 所示。

圖3.5 預行體燒結爐

(45)

3.3.3 管型加熱爐和溫度控制器 (1) 抽製初步預形體

1.管型加熱爐

圖 3.6 為森積科技有限公司所組裝管型加熱爐,溫度感測位置於 管型加熱爐的正中央,採用電阻式加熱升溫,爐內最高溫位於上端爐 口8 至 10 cm 處,其最高溫可達 800℃。

圖3.6 管型加熱爐

2.溫度控制器

圖 3.7 為溫度控制器是由森積科技有限公司代理的 Lindberg/Blue MUP-150,使用 PID 回授系統可程式控制的,系統使用 K-type 的熱 電偶,透過熱電偶傳回來的溫度數值來控制電流輸出大小,最大輸出 電流為15 A。

溫度量測位置

(46)

圖3.7 溫度控制器

(2) 抽製微結構光纖 1.管型加熱爐

圖 3.8 為抽製微結構光纖所使用的管型加熱爐系統,將預形體放 置爐中,縱向抽製預形體達到所要求的尺寸大小。

圖3.8 管型加熱爐

溫度量測位置

(47)

2.溫度控制器

圖 3.9 是由奇豪電熱有限公司所提供 PID 回授系統可程式控制的

控制器,系統使用 K-type 的熱電偶,透過熱電偶傳回來的溫度數值 來控制電流輸出大小。

圖3.9 溫度控制器 3.3.4 抽絲馬達裝置

圖 3.10 為抽製馬達採用 Super Motor 公司所製造,型號為 4GNI-80K,電流為 0.7 A,電壓為 110 V,功率為 25 W,控制馬達轉 速是以電阻式調節器控制如圖3.11 所示。

圖3.10 抽製馬達

(48)

圖3.11 電阻式調節器

3.3.5 掃描式電子顯微鏡(SEM)

圖 3.12 為本實驗所使用的掃描式電子顯微鏡為 Hitach 所生產

的,型號為 S-4160。其顯微倍率為 20 至 30 萬倍,加速電壓為 0.5 至 30 KV。

圖3.12 掃描式電子顯微鏡

(49)

3.3.6 半導體雷射光源

圖 3.13 為半導體雷射光源,其波長為 650 nm,功率為 3.1 mW。

圖3.13 半導體雷射光源

3.3.7 光纖耦合器

圖 3.14 為光纖耦合器型號為 EE01AT,並加裝在三軸移動平台 上,所使用透鏡為10 倍。

圖3.14 光纖耦合器

(50)

3.3.8 光功率計

圖 3.14 為光功率計型號 TQ8210,量測波長範圍 400-1650 nm,

長為180 mm,寬為 80 mm,高為 35 mm。

圖3.15 光功率計

3.3.9 光纖氣體感測室

圖3.16 為光纖感測器氣體室,總長度為 100 mm,兩邊圓管直徑 為10 mm,上下圓管直徑皆為 7 mm。

光功率感應位置

(51)

第四章 結果與討論

本研究採用 PMMA 毛細管以堆疊-抽製法製作出塑膠微結構光 纖,將抽製完成的塑膠微結構光纖放入氣體感測室內並抽真空處理一 小時,再通入待測氣體進行感測實驗,感測氣體吸附於光纖上所造成 能量之損失。在光子晶體光纖量測系統中,本研究採用半導體紅光雷 射當作光源,經由透鏡聚焦耦合至塑膠微結構光纖,再以光功率計量 測其光強度變化。為了確保實驗的準確性,本研究所量測的功率大小 都是由透鏡聚焦後射出的功率為主,其大小為2.91 mW。

4.1 塑膠微結構光纖空孔率對氣體感測器靈敏度之影響

本研究以實心蕊塑膠光纖為預形體,並將預形體抽製成微結構光 纖以作氣體吸附的環境,並且探討不同空孔率對塑膠微結構光纖氣體 感測器光強度的影響。由於塑膠受熱會先軟化,會呈現流動的狀態,

持續加熱則會變成黏性流動狀態,所以溫度越高彈性係數隨之降低,

表 示 容 易 受 到 外 力 而 改 變 形 狀 , 不 同 外 力 將 造 成 不 同 形 變 。 由於預形體在溫度175℃,施以不同的抽制速度會造成不同空孔 率的微結構光纖[38],因此,本研究以抽制速度 5 cm/min,15 cm/min,

25 cm/min 進行抽絲。將抽絲完成的微結構光纖以 SEM 檢查微結構是 否完整。將完整的微結構光纖分別取用空孔率0.47 和 0.52 和 0.59 的

(52)

來進行氣體吸附感測。實驗中,為了避免有誤差,所以選定光纖外徑 約為200-300 μm。圖 4.1 中,空孔率為 0.47 的光纖,剛開始的能量損 失變化較小,在氣體通入 6 min 後其能量變化明顯平穩許多。而空孔 率 0.59 的光纖,再一開始造成能量損失變化幅度較大,與氣體吸附 後相互作用明顯增加,因此空孔率大的光纖可以提供較大的作用面積 與吸附的氣體相互作用,以提高較大的環境供氣體吸附,而空孔率小 的光纖,由於提供的作用面積較小,因此等氣體完全吸附後,其造成 的能量損失變化將趨近平穩,由於量測的功率值是以單點時間紀錄一 次,因此平穩後微小的變化會對該點量測出的功率值造成微小變化,

導致平穩後必非呈現平穩的直線狀。表4.1 為不同空孔率的微結構光 纖,其中Core 直徑(D)為纖蕊直徑,孔洞大小(d)為單一纖殼孔洞的直 徑,孔洞間距(Λ)為兩個纖殼孔洞中心點的距離,空孔率(d/Λ)是孔洞 大小與孔洞間距的比值,其量測方式如圖4.1 所示。

表 4.1 不同空孔率的微結構光纖

抽製速度 (cm/min )

Core 直徑 D(μm)

孔洞大小 d(μm)

孔洞間距 Λ(μm)

空孔率 (d/Λ)

Loss

(dB/m)

5 64.285 26.157 54.812 0.47 99.35 15 66.856 29.999 53.571 0.52 84.26 25 68.571 34.286 57.714 0.59 61.98

(53)

圖4.1 光纖空孔率量測示意圖

圖4.2 不同空孔率的能量損失變化圖

(54)

圖4.3 塑膠實心蕊微結構光纖顯微組織圖(空孔率 0.47)

(55)

圖4.4 塑膠實心蕊微結構光纖顯微組織圖(空孔率 0.52)

(56)

圖4.5 塑膠實心蕊微結構光纖顯微組織圖(空孔率 0.59)

(57)

4.2 真空處理對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響

由於光纖原先空孔內的水氣再放入中空腔體中進行氣體感測,實 驗中可能會有雜訊產生而影響實驗結果。因此本研究將對光纖抽真空 以去除原先空孔內的水氣,以無真空,真空處理 30 min,真空處理 60 min 三種參數,進行氣體吸附的感測實驗,比較不同的真空度處理

時間造成的光強度變化,經由真空處理 60 min 其真空度可達到 22 cm/Hg。使用微結構光纖能量損失約為 59.35 dB/m 左右。從圖 4.5

中可以看到未抽真空的光纖,再通入氣體進行感測時,能量損失變化 幅度明顯不大,然而隨著抽真空的時間增加,在實驗前光纖量測能量 損失時有明顯降低,而且氣體吸附後所造成的能量損失變化幅度較 大。所以,抽真空以去除光纖原先空孔內的水氣,可以讓氣體吸附的 效果越好,有助於進行氣體感測。

圖4.6 無真空處理和真空處理能量損失變化圖

(58)

4.3 不同氣體對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響

當光纖通過介質時,即使不發生反射、折射的現象,其傳播情況 也會發生變化。如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體分子吸收,當光通 過氣體時就會發生衰減,所以可用比爾-郎伯定律(Beer-Lambert Law)

來進行分析。波長為 λ 單色光,輸出光強度為 I、輸入光強度為 I0與 氣體分子之關係為

αCL) I (

I = exp

0

式中C 為氣體吸收濃度(mol dm-3),α 為單位長度、單位濃度的吸收 係數(m2 mol-1),L 為光纖長度(cm),將上式改寫為下式

/I) L (I

C 1 ln 0

=α

當光纖感測器氣體室無待測氣體時,透過氣體室將由功率計量測出的 光強度為I0,當待測氣體通入氣體室時到達一到濃度C 時,此氣體對 光源發出的光有最強的吸收,所量測出的光強度為 I。於是見由 I0與 I 的相比,並有一定程度的衰減產生,通過測得 I0與 I 的比值,便可 檢測出氣體濃度。因此,本研究利用上述的關係式,對氮氣和氧氣兩 者氣體進行氣體擴散的檢測。表4.2 是給一定的氧氣濃度,光纖氣體 感測器功率量測結果。其中 I0是未通入待測氣體功率計的讀數,I 是 被測氣體通入後功率計讀數,I’0 是被測氣體移除後功率計的讀數,

(59)

實驗結束後,在量測其功率計(ΔI’)讀數其差異性不大,因此,可以 降低實驗的誤差。

表 4.2 光纖氣體感測器檢測結果 單位 nW

次數 I0 I I’0 ΔI ΔI’

1 2.6908 1.0488 2.68 1.642 0.011 2 2.7231 1.0497 2.71 1.673 0.013 3 2.6580 1.0514 2.65 1.607 0.008

4.3.1 氮氣對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響

本研究在未通入氮氣時,將光纖感測氣體室抽氣 60 min,以去 除原先光纖空孔的水分和氣體室本身的其他雜質,使其內部腔體處於 真空狀態再進行氣體感測實驗。將光纖氣體感測器做過真空處理後,

再通入待測氣體(氮氣)持續 30 min,以每 2 min 的間隔量測氣體擴散 所造成光強度變化。從圖 4.7 中,得到當通入氮氣後,能量損失有明 顯提高。這是由於氣體吸附於光纖後,氣體本身對光有吸收特性,因 而造成一部分光散失。隨著通入氮氣的時間越久,能量損失也逐漸變 大。通入氮氣時間在 30 min 後,發現其能量損失未能趨近於平穩狀 態,推論其主要原因可能是本實驗室所使用的光源是半導體紅光雷 射,而氮氣是惰性氣體而對光的吸收波長並不是近紅外線的原因,所 以氮氣對紅外光線的吸收效果較差,較不易吸附在光纖孔壁上,因不

(60)

易達到飽和狀態。

圖4.7 通入氮氣後能量損失變化圖

4.3.2 氧氣對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響

本研究將待測氣體改為氧氣進行氣體吸附感測,將感測用的氣體 室抽真空處理 60 min 後,並通入氧氣進行氣體吸附感測。從圖 4.8 中結果顯示中,當通入待測氣體氧氣時其能量損失變化明顯改變,變 化範圍約在通入氧氣後至10 min 間,10 min 後其氣體以完全吸附於 光纖表面上了,因此能量損失變化趨近於平穩的狀態且變化幅度將慢 慢的緩和下來。由於氧氣對光的吸收波長為 0.761 μm,與近紅外線 光波長相近,因此對紅光的吸收效果佳,影響的能量損失變化也較為 明顯。經由比爾-郎伯定律(Beer-Lambert Law)公式算出其濃度為 0.0042 mol dm-3

(61)

圖4.8 通入氧氣後能量損失變化圖

4.3.3 乙炔對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響

本研究將待測氣體換成乙炔進行氣體感測實驗,從圖4.9 中發現 當通入乙炔造成的能量損失變化明顯增大,其變化趨勢由通入乙炔後 到統統入時間12 min 後,在 12 min 過後能量損失變化便為平穩狀態,

因為乙炔對光的吸收波長是近紅外線光波長約為1.53 μm,對本實驗 所使用光源半導體紅光雷射其吸收效果佳因此對待測氣體乙炔可短 時 間 吸 附 於 光 纖 孔 壁 上 達 到 飽 和 狀 態 。 經 由 比 爾 - 郎 伯 定 律 (Beer-Lambert Law)公式算出其濃度為 0.0085 mol dm-3

(62)

圖 4.9 通入乙炔後量損失變化圖

4.3.4 三種氣體對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之比較

圖4.10 顯示出當通以不同待測氣體,因為擴散速度的不同,所以造 成的的能量變化也有所不同。依據格銳目擴散定律:同溫同壓時,氣 體擴散速率(r)與其密度(氣體分子量)平方根成反比。公式如下:

1 2 1

2 2

1

r M

M D

r = D =

式中r 為氣體擴散係數,D 為密度,M 為分子量。

由格銳目擴散定律得知,其分子量越小者,其擴散速率越快。氮氣(N2) 的分子量為 28,乙炔(C2H2)的分子量為 30,而氧氣(O2)的分子量為 32,因此從圖中,可以看出當通以不同待測氣體時,分子量的不同所

(63)

表面也越快,造成的能量損失變化較大。以氮氣來說,通入於氣體感 測器時,由於分子量較小的緣故,所以擴散速率也越快,造成能量變 化幅度大,但其最終為達到平穩狀態,所以氣體感測靈敏度較低,而 氧氣和乙炔這兩種待測氣體,分別於通入氣體10 和 12 min 後其能量 損失變化便可以達到平穩狀態。

4.10 三種待測氣體能量損失變化圖

(64)

第五章 結論

本研究中以PMMA 毛細管,以堆疊成正六角形週期性結構的預 形體,將結構完整的預形體抽絲成微結構光纖。並將抽絲完的微結構 光纖當作氣體吸附的環境,利用氣體吸附於光纖空孔表面上所造成能 量損失微小變化以感測氣體,實驗中探討不同參數下,對光纖氣體感 測的影響,並歸納如幾項結果如下:

1. 由實驗中可發現不同空孔率大小的光纖可提供不同的氣體吸附 環境,空孔率大的光纖,可以提供的較大的面積與氣體相互作 用,可以增加光強度訊號的變化。空孔率小的光纖,由於本身纖 殼的孔徑較小,因此氣體能吸附的面積也較小,氣體吸附於光纖 後對光強度訊號變化較小。

2. 研究中可以發現先將氣體感測室抽以真空狀態,能有效降低光纖 原先空孔吸附的水氣,可以減少氣體感測時的雜訊,已提高實驗 的準確性。

3. 本研究中,未通入氣體和氣體感測實驗後的功率比較,發現其變

化不大,因此光纖氣體感測器的輸出功率穩定。

4. 本研究對待測氣體氮氣進行氣體吸附感測實驗,實驗結果顯示氮 氣吸附於光纖後造成光強度變化有明顯的改變但未能達到平穩 狀態,其原因可能是氮氣為惰性氣體,較不易吸附在光纖孔壁

(65)

上,因此較不易達吸附飽和狀態。

5. 本研究對待測氣體氧氣和乙炔進行氣體吸附感測實驗,實驗結果 顯示氧氣和乙炔可在短時間內吸附再光纖孔壁上達到飽和狀 態。乙炔較易吸附在塑膠光子晶體光纖上,因此量測到傳輸損失 比其他氣體高。

(66)

第六章 參考文獻

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參考文獻

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