Transcript 光學式氧氣感測器之製作與分析 - 機械工程系

機械工程系專題製作成果報告
題
目 ：光學式氧氣感測器之分析與製作
學
生 ： 林威邑、黃俊儒
指 導 教 授 ： 朱承軒
簡
介
本研究提出一個簡單、低成本且高靈敏度的光纖式氧氧感測器製造技術。利用溶膠-凝膠
基材以及 PtOEP 或 [Ru(dpp)3]2+作為氧氣感測染料，將膠凝膠-基材與氧氣感測染料結合後塗佈
在光纖端面進行感測。其中溶膠-凝膠基材是由TFP-TriMOS/TEOS /Octyl-triEOS 或 n-propylTriMOS/TEOS Octyl-triEOS所組成。
儀
器
設
備
氣體鋼瓶
氣體流量計
光譜儀
LED(LED405)
利用溶膠-凝膠和氧氣感測材料作結合塗在光纖端面上，用LED(LED405)作為激發光源，
實
由光譜儀進行測量放射螢光強度。氧氣濃度是將氧氣與氮氣以體積百分比的方式混合，由控制
驗
閥來控制氣體的體積流量，之後將混合之氣體送至測試室進行量測，最後由光譜儀測出螢光強
內 度再傳回電腦進行分析。
容
本研究採用光學感測的方式，是藉由光源去激發氧氣感測材料後所產生之放射螢光強度來偵測
當時的氧氣濃度。在理想狀態下，I0/I與氧氣濃度([O2])的關係式為現線性的關係式，如方程式
所示: I0 / I =1+ KSV[Q] ，其中I0與I分別表示氧氣感測材料在0%氧氣與任意氧氣濃度狀態下的放
射。KSV是焠滅常數(Stern-Volmer quenching)。
0%
40000
20%
40%
30000
研
究
成
圖1.此圖為PtOEP染劑加在
果 TFP-TriMOS/TEOS/Octyl60%
20000
80%
10000
100%
0
600
620
640
660
Wavelength(nm)
680
700
triEOS溶膠-凝膠中隨氧氣
濃度變化之放射螢光光譜
圖。
10000
120
0%
R² = 0.9908
100
8000
20%
80
6000
40%
I0/I
50000
Relative Fluorscence Intensity(a.u.)
Relative Fluorscence Intensity(a.u.)
140
60
60%
4000
80%
2000
100%
0
40
20
R² = 0.9985
0
0
550
600
650
Wavelength(nm)
700
圖2.此圖為[Ru(dpp)3]2+ 染劑加在
TFP-TriMOS/TEOS/Octyl-triEOS
溶膠-凝膠隨氧氣濃度變化之放
射螢光光譜圖。
20
40
60
Oxygen Concentration (%)
80
100
圖 3.PtOEP-doped 和
[Ru(dpp)3]2+-doped 氧 氣
感 測 器 之 Stern-Volmer
Plot。
此光學式氧氣感測器的靈敏度定義為IN2/IO2，其中的IN2和IO2分別代表在純氮氣和純氧氣的環境
中所量測到的放射螢光強度。並且感測器的Stern-Volmer校正曲線圖也顯示出感測器具有良好的
線性關係。
結
論
由實驗結果顯示，本研究所提出的光纖式氧氣感測器在性能上，不只具有較高的靈敏度，而
且在0-100%的氧氣濃度範圍中，其Stern-Volmer校正曲線圖為線性的關係。除此之外，實驗結
果也顯示此PtOEP-doped和[Ru(dpp)3]2+-doped感測器之靈敏度分別可達到116 和10。
明志科技大學 機械工程系四技部102學年度專題製作競賽