269_088-183CP-TW

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269_088-183CP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書
﹝本說明書格式，順序及粗體字，請勿任意更動，※號部份請勿填寫﹞
	※申請案號： 090100229
	※申請日期： 20010104 ※ＩＰＣ分類： Int.Cl.(7) G01N 21/64，21/77

一、發明名稱： (中文/英文)
	高穩定強度型光纖感測器(全文下載)High Stability Intensity-BaSed Optical FiberSensors
二、申請人：共 1 人
	1 . 　姓名或名稱：(中文/英文) 　　行政院國家科學委員會 / NATIONAL SCIENCE COUNCIL 　代　表　人：(中文/英文) 　　 / 　住居所或營業所地址：(中文/英文) 　　台北巿和平東路二段一○六號十八樓 / 　國　　　　籍：(中文/英文) 　　中華民國 / TW
三、發明人：共 2 人
	1 . 　姓名：(中文/英文) 　　羅裕龍 / LO, YU-LUNG 　國　　　籍：(中文/英文) 　　中華民國 / TW 　 2 . 　姓名：(中文/英文) 　　顏挺洋 / YAN, TING-YANG 　國　　　籍：(中文/英文) 　　中華民國 / TW
四、聲明事項
	□主張專利法第二十二條第二項 □ 第一款或 □ 第二款規定之事實，其事實發生日期為：年　月　日 □申請前已向下列國家(地區)申請專利: 　【格式請依:受理國家(地區)、申請日、申請案號、順序註記】
	□ 有主張專利法第二十七條第一項國際優先權：　□無主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
	□ 主張專利法第二十九條第一項國內優先權：　【格式請依:申請日、申請案號、順序註記】
	□ 主張專利法第三十條生物材料：　□ 須寄存生物材料者：　　　國內生物材料【格式請依:寄存機構、日期、號碼、順序註記】　　　國外生物材料【格式請依:寄存國家、機構、日期、號碼、順序註記】
□ 不須寄存生物材料者: 　　　所屬技術領域中具有通常知識者易於獲得時，不須寄存。

五、中文發明摘要：
	本發明是一種通用於機械或生化參數的多點埋入式量測的光纖感測器，其係以光纖漸瞬波場(EvanescentField)為基礎並搭配用於補償因光源或環境所造成光強擾動的影響的一對布拉格光纖光柵。一感測區被設置在該對光纖光柵之間。感測區是將正常光纖除去部分的被覆層(Cladding)，再蒸鍍或摻雜一可與周圍物質反應的介質而形成。因此，光纖光柵所反射的光會因該反應介質的改變，影響漸瞬波場而改變。該對光纖光柵的功能，可使一道反射光作為參考訊號，另一個反射光為感測訊號，利用兩個反射光強度的比值作為量測的感應參數。該比值不受光源或環境所造成光強擾動的影響，亦不受溫度的影響。

六、英文發明摘要：
	This invention provides an optical fibersensor that can be used to measure physical-orbiochemical parameter in embedded cases formultiplexing. This optical fiber sensor is basedon the evanescent field of a fiber, and a pair offiber Bragg gratings across a sensing section isutilized for compensating the variation noisesfrom a light source and environments. Thecladding of the sensing section is partiallyetched away, then it is evaporated or doped with aspecific substance that can be reactive withsurroundings. As a result, the intensity from areflecting light could change in response to themeasured. The techniqtie of the present inventionis based on the ratio of the reflectingintensities from the reference and the sensingfiber Bragg gratings. The ratio has been found tobe independent of optical variations noises from alight source or environments. Also, the ratio isimmune to the thermal effects.

七、指定代表圖：
（一）本案指定代表圖為：
（二）本代表圖之元件符號簡單說明：



八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：


九、發明說明：
	發明背景光纖感測器具備的諸多優點如靈敏度高、反應速度快、體積小、重量輕、耐高溫高壓，使其能在危險環境中正常工作，同時利用光纖傳輸訊號達到遠端遙測之目的。由於光纖感測器具有不受電磁場干擾和多點量測…等特性，因此相當適合於多點式物理與生化參數的量測。於西元1978年，Butter和Hocker發表光纖應變感測器之後，光纖感測器應用於光纖智慧型結構便成為世界研究發展趨勢。近年來，由於光纖光柵開發成功，其不僅具有一般光纖感測器的優點，更在多點量測(Multiplexing)佔有極大優勢。埋入型光纖光柵感測器、光纖光柵多參數量測感測器等皆是世界研究發展的趨勢。在強度型光纖感測器的發展上，由於極易受到光源與環境的影響，因此，可靠度較為使用者質疑。近幾年發展的相關強度型光纖感測器有下列幾種形式。美國專利5,118,931號提出以不同光纖光柵所反射相對的微彎曲(Microbending)所引起光強變化作為感測目標，但未提出以一對光纖光柵達到補償的功能。美國專利4,792,689號雖提出參考訊號與感測訊號之間的補償方式，並以特殊染料(Dye)染色劑偵測生化反應，但由於光譜分光裝置是設計在接收端上，因此仍無法達到類似光纖光柵多點量測的簡易功能。美國專利5,646,400號提出45。錐形(Tapped)光纖光柵之光纖漸瞬波場與披覆在光纖光柵上的腐蝕敏感化合物(Corrosion Sensitive Compound)反應，而達到光強度變化，但無法作補償設計，仍然受到環境擾動的影響。Spillman,w.B.,Jr.and Lord,J.R.[Spillman,w.B.,Jr.and Lord,J.R.,"Self-ReferencingMultiplexing Technique for Fiber-Optic IntenditySensord,"IEEE, Journal of Lightwave Technology,LT-5,pp.865-869,1987]所提出量測的方法是採用自我補償式的技術；以兩個偶合器將一個脈衝光波循環分成多道光波，一道為參考的光波，其他道為感測的光波。兩道光波之間接上感測器，感測器會因為外在壓力改變，而使感測光波產生強度變化’藉著參考光波和感測光波的比值，可以量測外在環境的變化。發明要旨本發明主要是要發展一種結構簡單且可靠度高之光纖光柵感測器，並可避免外在環境對於量測訊號的影響，因而加強感測器對於量測目標的準確度。應用此感測器在機械或建築結構之上，可以做到即時監測及多點量測，有助於提高結構物之安全性及了解其結構健康狀況，提早做補強或預防之措施；亦可設計為生化感測器，只要在感測區鍍上反應介質，使光強度因待測物與反應介質作用而產生變化，即可達到偵測目的。發明之詳細說明光纖光柵感測器主要具備反應速度快、體積小、重量輕、耐高溫高壓和不受電磁場干擾等特性，因此相當適合於埋入結構物之腐蝕或化學感測。雖過去已經有許多人採用布拉格光柵做成感測器，然都是以光柵波長的偏移量當成感應機制，而本發明係利用一對光纖光柵感測器的反射光強度比值的變化量作為感應機制，此新穎設計由於不受光強度干擾，大大地提升強度型光纖感測器的應用價值。本發明是以光纖漸瞬波場為基礎，並搭配一對布拉格光纖光柵所設計的光纖感測器，其中將感測區放置在兩個光纖光柵之間。該兩個光纖光柵中的一個的反射光作為參考訊號，另一個的反射光作為感測訊號，利用兩個光纖光柵的反射光強度之比值，以達到光強度擾動補償的效果。光纖感測技術在發展量測物體物理量變化已經發展二十多年，主要量測的物理量包括應力、溫度、壓力和流速，但對於腐蝕量的量測則較為不足；傳統的腐蝕量測方法不但耗時、複雜，而且也比較不準確。在本發明的應用上，可在感測區鍍上一層金屬膜以做為腐蝕感測的感應介質；不但可以得到較為準確的腐蝕預測，而且在使用方面也較傳統方式來得簡單方便，最重要的一點是它可以串聯及並聯數個感測器達到多點量測功能，並可即時檢測出機件內部的腐蝕情況’而不必將機件拆下檢測，不但可以避免因拆開機件所造成不可預期的損壞，也可以省下拆裝所需的時間及金錢。另外，埋入型光纖腐蝕感測器更可以使用於建築結構中的鋼骨或是預力混凝土中的鋼筋，隨時監控鋼骨或鋼筋的腐蝕狀況，以便及時作補強，避免因腐蝕破壞而造成傷害。除了腐蝕感測外，其他的生化感測亦可利用本發明強度型光纖感測器的特殊設計達到在多點量測及埋入主體而不受環境干擾的目的。（一）強度型光纖光柵感測器之製作本發明的強度型光纖感測器主要是以布拉格光纖光柵反射特定波長的特性為基礎，包含一段具有蕊心與包圍該蕊心的被覆層(Cladding)105的光纖，該段光纖在其長軸方向包含兩間隔開的布拉格光柵區101、102與介於該兩布拉格光柵區之間的感測區103，如圖一所示，其中：該兩布拉格光柵區101、102分別在其蕊心處被形成有兩個不同反射波長的布拉格光柵；及該感測區103具有一外圍被覆層被移除一部分的縮小被覆層及附著於該縮小被覆層外表面的反應介質層。另外為了避免布拉格光柵區101、102及感測區103直接受到外在擾動影響，在其等外部裝上一多孔隙套筒104；這多孔隙套筒可讓待測對象滲入，同時亦可防止側面外力對光纖光柵產生雙折射(Birefringence)變化，進而影響訊號處理。本發明光纖光柵感測器的製作係首先以準分子雷射與相位光罩在載氫(hydrogen loading)含鍺光纖上製作布拉格光纖光柵(fiber Bragg grating, FBG)。利用不同週期的相位光罩可以製作出不同中心波長的一對光纖光柵。使用緩衝氧化物蝕刻(Buffered Oxide Etch (BOE)）將兩個光纖光柵之間的光纖被覆層除去，大约留下5μm厚的被覆層，再將蝕刻後之光纖以鍍膜或溶劑－凝膠(Sol-Gel)的方法附著上一層配合待測對象的反應介質層，即可完成強度型光纖光柵感測器的製作。本發明可以作出具有串聯或並聯的新型光纖光柵強度型感測器，可大大地改善一般強度型感測器較無法串聯或並聯的缺點。適用於本發明的光接收器可採用高靈敏(Avalanche Photodetector(APD)）光接收器以增加光強度變化的靈敏度。（二）強度型光纖光柵感測器理論分析就布拉格光纖光柵的反射光強度而言，是非常容易受到外界擾動、光源供應器和光譜儀的變動而產生光譜的光強度變化，因而造成感測訊號的誤差和不準確。因應未來光纖光柵感測器將會用於機械、橋樑與建築物的檢測，勢必將感測器埋入結構體中;為了降低儀器和外界擾動所造成量測的誤差，可將兩個反射光中心波長不同的布拉格光纖光柵串接在一起，中間的區間隔著批覆有反應介質的感測區103。圖一中前段的光纖光柵101反射光強度不受反應介質層變化的影響，後段光纖光柵102反射光強度受反應介質層變化的影響。經過這種特別的設計，可將光纖光柵101反射光作為光纖光柵102反射光的補償；也就是說經過光纖光柵反射光101補償後，可消除光源供應器、光譜儀和外界擾動所造成的影響。為了進行多點量測功能，可將多個強度型光纖光柵感測器串接起來。為了簡化說明，這裡以兩個光纖光柵感測器10和11串接舉例說明，如圖二(a)所示。該感測器10，是採用相位光罩(QPS Tech., Λ _pm =1060,Grating Size=10mm×5mm,Zero order=0.71%,+1 order=39.63%，-1 order=38.26%)，經過準分子雷射加工之後，製作出兩個相同布拉格光纖光柵，其中一個光纖光柵施予一個預應力，使其中心波長產生飄移，因而製作出兩個不同中心波長的光柵光纖101、102。該感測器11則是採用相位光罩(QPS Tech., Λ _pm =1070, Grating Size=10mm×5mm,Zero order=0.51%，+1 order=39.48%，-1 order=38.88%)，經過和該感測器10相同的步驟所製作而成的（包含光柵光纖111、112及感測區113）。如圖二(b)感測器光譜圖所示，其產生的反射光光譜表現在光譜分析儀分別可用式(1)、式(2)表示。第一對可表示為：P _B1 (λ _B1 )=R _B1 (λ _B1 )．S．V _S ．A ₁² P _M1 (t ₁ ，λ _M1 )：R _M1 (λ _M1 )．A _M1 (t ₁ )．S．V _S ．A _l² (1)第二對可表示為：P _B2 (t ₁ ,λ _B2 )=R _B2 (λ _B2 )．S．V _S ．A ₁₂ ．A ²_M1 (t1)．A ₂² P _M2 (t _1, t ₂ ，λ _M2 )=R _M2 (λ _M2 )．A _M2 (t ₂ )．S，V _S ．A ₁² ．A ²_M1 (t ₁ )．A ₂² (2)其中P _Bi 和P _Mi 分別表示未受反應介質層影響的布拉格光纖光柵和受反應介質層影響的光纖光柵反射光譜;λ _Bi 和λ _Mi 表示兩個不同的布拉格波長;R _Mi (t _i ,λ _Mi )和R _Bi (λ _Bi )分別表示兩個布拉格光纖光柵的反射比；t表示感測區域反應介質層的厚度;i=1、2表示兩個不同的強度型光纖光柵感測器；另外，在光譜分析上，S表示光源所得的光譜；V _S 表示光源密度的變動係數；A _Mi (t _i )表示含有反應介質層的感測器衰減係數；A _i 分別表示在通路上外力擾動所造成的衰減係數。根據式(1)和式(2)，可以得到兩個感測器感測信號和參考信號的比值。從式(3)可以很容易地發現這兩個比值，已經消除光源和外力擾動的衰減係數。也就是說，這兩個比值的量並不受光源和外力擾動的影響。所以在式(3)中和量測參數有關的只剩反應介質層的感測衰減係數。換句話說，不受反應介質層影響的布拉格光纖光柵101、111和受反應介質層影響的布拉格光纖光柵102、112產生的反射光之比值，將可建立起待測物質狀態和反應介質層的關係。圖三顯示一用於說明本發明可運用於串聯感測，且不受外界擾動影響的基本架構圖。該架構由白光光源201和光纖202~205，一個2×2光纖耦合器206，強度型光纖光柵感測器10和11以及一台光譜分析儀30所組成。光譜分析儀在此只是用於證明本設計的可行性，但若要避免訊號失真的問題，可利用調變頻譜濾波器（如Optical FiberTunable Fabry-Perot Filters）取代光譜分析儀以提高訊號擷取速度。在光纖202~205處施予四個不同的外力，量測外力對感測訊號的的影響。將四個位置的光譜訊號，製作成圖四(a)~(d)。圖四(d)是光纖205位置光纖受外力擾動之光譜圖，因在光纖205產生外力擾動、所以僅僅對於感測器11產生干擾，造成感測器11光譜產生衰減；感測器11內的不受反應介質屬影響的布拉格光纖光柵111其反射光強度從最高1.825nw至1.049nw，感測器11內的受反應介質屬影響的布拉格光纖光柵112其反射光強度從最高1.378nw至0.803nw，但兩反射光強度的比值的變動範圍卻只從1.324至1.299，表示雖然反射光強度會受到外力擾動的影響，但對於反射光強度的比值影響很小，同樣地在光纖202~204產生外力擾動，因外力擾動將對感測器10和感測器11同時造成擾動，如圖四(a)~(c)所示。所以感測器10和11內的不受反應介質層影響的布拉格光纖光柵101、111和受反應介質層的布拉格光纖光柵102、112都會產生衰減，但其比值變化相當的小，其誤差在2%左右。將四個位置202~205所產生布拉格光纖光柵反射光比值製作成圖四(e)，從圖四(e)可以發現四個位置202~205的反射光強度比值都維持在一定值，感測器10的反射光強度比在1.06左右，而感測器11則維持在1.30左右，變動相當的小。假若不經過補償的設計，在相同的外力干擾將會造成很大變動，以光纖205位置外力擾動為例，受反應介質層影響的布拉格光纖光柵l12反射光能量從最高1.378nw至0.803nw，其反射光強度的變動就高達40%，而其反射光強度比值只有2%左右的變動，因此本強度光纖光柵感測器的補償設計的方式將外力擾動所造成的干擾降到最低，而達到本發明架構的目的。在未量測時，感測器10及11的每對光纖光柵的兩訊號比值已先量化，做為每對感測區的量測基準。當量測因子開始影響時，其一對光纖光柵的兩訊號比值會隨著量測因子的變化而變化，而檢測出受感測的情況；因此，可判斷量測因子所造成的影響。而每對光纖光柵感測區是以各反射的光柵頻譜做為區隔，以防各對光纖光柵感測之間的串音問題。圖五顯示溫度效應對本發明感測器之影響。將直徑19μm的蝕刻光纖經無電鍍銅處理後，使反應介質層厚度增為直徑22μm的感測區域103，紀錄溫度對反射光強度比值的影響，從圖中可以發現，當溫度由25℃改變至90℃時，反射光強度比值改變量為4%左右。其可能原因是蝕刻光纖直徑相當的細微，在無電鍍銅過程中對蝕刻光纖產生微彎曲(micro-bend)的影響，而溫度上升產生對蝕刻光纖產生微拉伸(micoO-tension)，因而使反射光強度比值產生4%的上升，可是因感測區金屬層造成反射光強度比值變化可以達到50%以上，因此溫度效應對於本強度型光纖光柵感測器所造成的干擾相當小。從實驗中證明反射光強度並不受溫度的影響。另外，溫度和軸向應力只會造成光纖光柵的中心波長產生飄移，因本感測器是採用反射光能量比作為量測機制，因此溫度和軸向應力不會造成訊號處理的影響。圖六顯示說明本發明光纖感測器的布拉格光纖光柵和反應介質的反射光強度比值變化。以金屬腐蝕感測器為例，量測反射光強度變動的範圍。在光纖被覆層去除的程序中，製作三根被覆層殘留量分別為直徑19、21和28μm的光纖，將蝕刻後的光纖以無電鍍的方式在反應介質層鍍上銅膜，為了增加無電鍍的效果，首先將蝕刻後的光纖放入由氯化亞錫(SnCl ₂ ‧2H ₂ O)與鹽酸(HCl)以(1g－4ml)/100ml比例配製的敏化液浸泡20分鐘，再放入由二氯化鈀(PdCl2)和鹽酸以(0.025g-0.25m1)/100ml比例配製的活化液浸泡10分鐘，以提供無電鍍銅液在反應開始發生的催化位置，接著以硫酸銅(CuSO ₄ ‧5H ₂ O)以1g/100ml、甲醛(HCHO)以0.5ml/100ml、酒石酸鉀鈉(NaKC ₄ H ₄ O ₆ ‧4H ₂ O)以2.5g/100ml和氫氧化鈉(NaOH)以0.9g所配製無電鍍銅溶液。將蝕刻光纖浸泡無電鍍銅溶液，並同時利用光譜儀量測每30秒反射光的變化，將反應介質的布拉格光纖光柵102、112和不受反應介質的布拉格光纖光柵101、111根據式(3)計算反射光強度比值，製作成圖六。其主要的趨勢從這個實驗中可以發現，其反射光能量的比值變化範圍可以達到50~70%左右。換句話說，當反應介質的布拉格光纖光柵102、112和不受反應介質的布拉格光纖光柵101、111反射光強度比值達到50%以上的變化量時，將可以斷定接收到腐蝕的訊息。同時在圖六反射光強度比值開始呈現衰減變化或呈現不規則變化，其主要原因可能是蝕刻光纖直徑相當細微，在無電鍍過程中產生微彎曲所造成，並非因銅膜鍍層變化所造成的影響。本發明最重要的是可以完全排除外在環境變化的影響，如光源變動、傳出／傳入光纖的彎曲…等對感測訊號的干擾因素，亦可設計成埋入型光纖感測器，並運用串聯或並聯的方式達到多點的量測功能;因此，極具商業價值，還祈鉤局早日鑒核並准予專利為盼。圖式簡單說明圖一為本發明的強度型光纖感測器的示意圖，其中（以感測器10為例）：101不受反應介質層影響的光纖光柵；102受反應介質層影響的光纖光柵；103光纖感測區；104多孔隙套筒。圖二(a)為本發明的串聯的強度型光纖感測器的示意圖，其中：10及11為兩串聯的感測器。圖二(b)為圖二(a)的感測器10及11反射光譜圖。圖三為用於測試外界擾動對本發明的串聯強度型光纖感測器的基本架構圖，其中：10、11光纖感測器；201台光光源；傳出／傳入202~205光纖；206 2×2光纖耦合器及30光譜分析儀。圖四為光纖受側向應力時光纖感測器10、11的光譜圖，其中：(a)202傳出／傳入光纖受外力擾動光譜圖；(b)203傳出／傳入光纖受外力擾動光譜圖；(c)204傳出／傳入光纖受外力擾動光譜圖；(d)205傳出／傳入光纖受外力擾動光譜圖；(e)為(a)至(d)中光纖感測器10、11的反射光強度比值。圖五顯示溫度效應對本發明感測器之影響。圖六顯示本發明光纖感測器的反應介質層變化對反射光強度比值的影響。

十、申請專利範圍：
	1.一種強度型光纖感測器，包含一段具有蕊心與同軸心的包圍該蕊心的被覆層的光纖，該段光纖在其長軸方向包含兩間隔開的布拉格光柵區與介於該兩布拉格光柵區之間的感測區，其中：該兩布拉格光柵區分別在其蕊心處被形成有兩個不同反射波長的布拉格光柵；及該感測區具有一外圍被覆層被移除一部分的的縮小被覆層及附著於該縮小被覆層外表面的反應介質層；於是該兩布拉格光柵的反射光強度比值將實質上排除外在環境擾動及溫度的影響，而只受該反應介質層的影響。　　 2.一種串聯的強度型光纖感測器，包含複數個串聯的如申請專利範圍第1項所述的強度型光纖感測器。　　 3.一種並聯的強度型光纖感測器，包含複數個並聯的如申請專利範圍第1項所述的強度型光纖感測器。　　 4.如申請專利範圍第1、2或3項所述的光纖感測器，其中該反應介質層為金屬薄膜層。　　 5.如申請專利範圍第1、2或3項的光纖感測器，其中該反應光質層為一可與特定待測化合物產生反應的物質。　　 6.如申請專利範圍第1、2或3項的光纖感測器，其中感測區域中可為任何一種以光強度感測機制的任何一種光纖強度型感測器。


十一、圖式：

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