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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:趙建欽
研究生(外文):Jian-Cin Chao
論文名稱:彎曲光纖之葡萄糖濃度感測器研製與應用
論文名稱(外文):Whispering Gallery Mode Based Optical Fiber Sensor for Measuring Concentration of Glucose
指導教授:江家慶江家慶引用關係
指導教授(外文):Chia-Chin Chiang
口試委員:林哲信葉耀宗
口試委員(外文):Che-Hsin LinYao-Tsung Yeh
口試日期:2014-06-25
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:機械與精密工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:113
中文關鍵詞:回音廊模態黃光微影製程精密機械加工濃度調變濃度感測器
外文關鍵詞:Whispering Gallery ModeMEMSCNCGluscose solutionConcentration sensor
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本文之彎曲WGM光纖感測器分成兩大部份,第一部份是封裝型彎曲光纖濃度感測器應用於葡萄糖與食鹽水濃度感測,第二部分是創新壓克力型彎曲光纖濃度感測器應用於葡萄糖濃度量測。首先使用黃光微影製程製作出光阻結構,接著使用聚二甲基矽氧烷(Polydimethyl Siloxane;PDMS)翻模,在PDMS上做出置放光纖之微結構,透過濃度調變實驗找出WGM光纖感測器之頻譜波長變化。實驗結果發現光纖直徑為64 um時,最佳之葡萄糖濃度靈敏度可達0.520 nm/oC,優於光纖直徑為67 um的0.494 nm/oC,且由實驗過程發現監測頻譜會由短波長往長波長飄移。
創新壓克力型彎曲光纖濃度感測器是在壓克力(聚酸甲酯(Polymethyl Methacrylate;PMMA)上,以精密機械加工方式,將放置光纖之微結構製作出來,接著將蝕刻完成之不同直徑的光纖,分別有63 um、64 um及67 um,放置進入壓克力微結構裡,即完成創新壓克力型彎曲光纖濃度感測器,透過葡萄糖濃度調變實驗,分析在不同蝕刻直徑下的波長變化狀況,由實驗發現光纖直徑為63 um時有最佳之濃度靈敏度0.577 nm/oC,實驗結果證實光纖直徑越細其感測靈敏度越佳。
Two types of whispering gallery mode (WGM) optical fiber sensors were used in this study. The first type consisted of enclosed optical fiber concentration sensors used in testing glucose and saline concentrations; the second type consisted of innovative acrylic optical fiber concentration sensors used in testing glucose concentrations. Lithography was first used to create a photoresist structure; then, using a polydimethylsiloxane (PDMS) mold, a microstructure was created in the PDMS for the optical fiber. The study found the changes in the spectrum wavelength of the WGM optical fiber sensor through concentration modulation. Results found that for an optical fiber diameter of 64 m, optimal glucose concentration sensitivity was 0.520 nm/°C. This was superior to the 0.494 nm/°C sensitivity at an optical fiber diameter of 67 m. This study also found that the monitored spectrum shifted from shorter wavelengths to longer wavelengths.
Innovative acrylic optical fiber concentration sensors with different diameters (63 m, 64 m, and 67 m) were set into microstructures in acrylic (polymethyl methacrylate, PMMA) created using precision machinery. After glucose concentration modulation experiments, changes in wavelengths in fibers with different diameters were analyzed. The results showed that the optical fiber with a 63 m diameter had an optimal concentration sensitivity of 0.577 nm/°C. The results further verified that smaller diameters correlated to better sensitivity.

致謝 I
摘要 II
ABSTRACT III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XIV
第一章 序論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究背景 2
1.2-1 光纖感測器應用於生醫 3
1.2-2 光纖感測器應用於溫度 7
1.2-3 光纖感測器應用於葡萄糖感測 14
1.2-4 光纖感測器應用於折射率感測 19
1.2-5 WGM光纖感測器製作與封裝 25
1.3 研究目的 32
第二章 理論基礎 34
2.1 光纖彎曲能量傳輸探討 34
2.2 光纖彎曲之相位差研究 36
2.3 光纖彎曲損耗與波長位置關係 38
第三章 研究方法與步驟 41
3.1 蝕刻光纖製作方法與步驟 41
3.1-1 光纖蝕刻製作步驟 41
3.2 封裝型彎曲光纖濃度感測器製作與實驗架構 42
3.2-1 封裝型彎曲光纖濃度感測器製作 42
3.2-2 封裝型彎曲光纖濃度感測器實驗架構 45
3.3 創新壓克力型彎曲光纖濃度感測器製作與實驗架構 47
3.3-1 創新壓克力型彎曲光纖濃度感測器製作 48
3.3-2 創新壓克力型彎曲光纖濃度感測器實驗架構 50
第四章 實驗結果與討論 52
4.1 蝕刻光纖直徑與時間之線性關係 52
4.2 封裝型彎曲光纖濃度感測器結果與討論 53
4.2-1 葡萄糖濃度調變實驗 54
4.2-2 食鹽水濃度調變實驗 80
4.3 創新壓克力型彎曲光纖濃度感測器結果與討論 100
第五章 結論 107
5.1 封裝型彎曲光纖濃度感測器 107
5.1-1 葡萄糖濃度調變實驗 107
5.1-2 食鹽水濃度調變實驗 108
5.2 創新壓克力型彎曲光纖濃度感測器 108
第六章 未來展望 109
6.1 光纖回音廊模態感測器應用於生醫專一性檢測 109
6.2 應用影像技術分析彎曲光纖感測器之半徑與波長關係 110
參考文獻 111

圖目錄
圖 1- 1聖保羅教堂回音廊 2
圖 1- 2 WGM生物感測器概念圖[2] 3
圖 1- 3 WGM生物感測器應用於各種不同生物分析圖[2] 3
圖 1- 4光學生物感測器的原理[3] 4
圖 1- 5攜帶式光纖生物感測器架構原理[3] 4
圖 1- 6 DAQ擷取光信號實驗架構圖[4] 5
圖 1- 7檢測端與光纖之間距離之影響[4] 5
圖 1- 8溫度與折射率量測實驗架構圖[5] 7
圖 1- 9溫度與折射率關係圖[5] 7
圖 1- 10環形WGM溫度感測實驗架構圖[6] 8
圖 1- 11溫度與WGM波長飄移關係圖[6] 8
圖 1- 12 WGM 感測器應用於低溫感測實驗架構圖[7] 9
圖 1- 13溫度與靈敏度關係圖[7] 9
圖 1- 14 溫度與折射率感測系統架構圖[8] 10
圖 1- 15溫度與損耗相依關係圖[8] 10
圖 1- 16 SMS彎曲光纖感測器[9] 11
圖 1- 17 SMS彎曲感測溫度與損耗關係圖[9] 11
圖 1- 18超靈敏光纖感測溫度監測架構圖[10] 12
圖 1- 19超靈敏光纖感測溫度頻譜圖[10] 12
圖 1- 20光學感測器實驗架構圖[11] 14
圖 1- 21葡萄糖濃度與溫度之折射率線性關係圖[11] 14
圖 1- 22葡萄糖光纖感測實驗架構[12] 15
圖 1- 23折射率與量測電壓關係圖[12] 15
圖 1- 24糖水液體濃度與折射率關係圖[13] 16
圖 1- 25折射率與波長位置關係圖[13] 16
圖 1- 26葡萄糖WGM實驗架構圖[14] 17
圖 1- 27葡萄糖濃度與波長飄移關係圖[14] 17
圖 1- 28彎曲U形光纖折射率感測實驗架構圖[15] 19
圖 1- 29彎曲U形光纖感測器量測數據[15] 19
圖 1- 30 U形彎曲光纖折射率感測實驗架構圖[16] 20
圖 1- 31光源強度與濃度之相依關係圖[16] 20
圖 1- 32彎曲U形pH值量測實驗架構[17] 21
圖 1- 33 pH值與光源強度之關係圖[17] 21
圖 1- 34環形彎曲方式液體實驗架構圖[18] 22
圖 1- 35環形彎曲感測器之折射率與損耗關係圖[18] 22
圖 1- 36光纖低折射率液體實驗架構圖[19] 23
圖 1- 37光纖折射率量測波長與損耗關係圖[19] 23
圖 1- 38單模彎曲光纖實驗架構圖[20] 25
圖 1- 39單模彎曲光纖量測數據圖[20] 25
圖 1- 40微彎光纖溫度感測器系統架構圖[21] 26
圖 1- 41微彎光纖溫度感測器溫度與損耗關係圖[21] 26
圖 1- 42微機電製造流程圖[22] 27
圖 1- 43彎曲固定示意與量測訊號圖[22] 27
圖 1- 44非彎曲型WGM光纖感測實驗架構圖[23] 28
圖 1- 45非彎曲型WGM光纖感測器封裝圖[23] 28
圖 1- 46非彎曲型WGM光纖感測波長飄移圖[23] 28
圖 1- 47雙U形彎曲光纖感測器[24] 29
圖 1- 48雙U形彎曲光纖溫度感測數據圖[24] 29
圖 1- 49 SMS彎曲光纖感測器實驗架構圖[25] 30
圖 1- 50不同彎曲半徑之SMS光纖感測器波長位置[25] 30
圖 1- 51論文研究架構圖 32
圖 1- 52實驗規劃架構圖 33
圖 2- 1雷射光源導入彎曲單模光纖內之傳輸示意圖 34
圖 2- 2輻射散焦曲面與回音廊模態之光學傳輸路徑 36
圖 2- 3具有保護層之光纖端面圖 38
圖 3- 1蝕刻光纖製程步驟圖 41
圖 3- 2封裝型彎曲光纖濃度感測器製程流程圖 45
圖 3- 3封裝型彎曲光纖濃度感測實驗架構圖 46
圖 3- 4 (a) NAR1T 阿貝式屈折度計 (b) 儀器數值顯示窗 47
圖 3- 5壓克力型彎曲光纖感測器上模 50
圖 3- 6壓克力型彎曲光纖感測器下模 50
圖 3- 7壓克力型彎曲光纖濃度感測實驗架構圖 51
圖 3- 8壓克力型彎曲光纖濃度感測器原件圖 51
圖 4- 1蝕刻速率與時間關係圖 52
圖 4- 2濃度與折射率關係圖 53
圖 4- 3封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次曲線飄移圖(64µm、3.3mm) 55
圖 4- 4封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次飄移關係圖(64µm、3.3mm) 56
圖 4- 5封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次曲線飄移圖(64µm、3.4mm) 58
圖 4- 6封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次飄移關係圖(64µm、3.4mm) 59
圖 4- 7封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次曲線飄移圖(64µm、3.5mm) 61
圖 4- 8封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次飄移關係圖(64µm、3.5mm) 62
圖 4- 9封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次曲線飄移圖(64µm、3.6mm) 64
圖 4- 10封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次飄移關係圖(64µm、3.6mm) 65
圖 4- 11封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次曲線飄移圖(64µm、3.8mm) 67
圖 4- 12封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次飄移關係圖(64µm、3.8mm) 68
圖 4- 13封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次曲線飄移圖(67µm、3.7mm) 71
圖 4- 14封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次飄移關係圖(67µm、3.7mm) 72
圖 4- 15封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次曲線飄移圖(67µm、3.9mm) 74
圖 4- 16封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次飄移關係圖(67µm、3.9mm) 75
圖 4- 17封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次曲線飄移圖(67µm、4.0mm) 77
圖 4- 18封裝型彎曲光纖葡萄糖感測之三次飄移關係圖(67µm、4.0mm) 78
圖 4- 19封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次曲線飄移圖(64µm、3.3mm) 81
圖 4- 20封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次飄移關係圖(64µm、3.3mm) 82
圖 4- 21封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次曲線飄移圖(64µm、3.4mm) 84
圖 4- 22封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次飄移關係圖(64µm、3.4mm) 85
圖 4- 23封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次曲線飄移圖(64µm、3.5mm) 87
圖 4- 24封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次飄移關係圖(64µm、3.5mm) 88
圖 4- 25封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次曲線飄移圖(64µm、3.6mm) 90
圖 4- 26封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次飄移關係圖(64µm、3.6mm) 91
圖 4- 27封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次曲線飄移圖(64µm、3.8mm) 93
圖 4- 28封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次飄移關係圖(64µm、3.8mm) 94
圖 4- 29封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次曲線飄移圖(67µm、3.7mm) 97
圖 4- 30封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次飄移關係圖(67µm、3.7mm) 98
圖 4- 31封裝型彎曲光纖食鹽水感測之三次飄移關係圖(67µm、3.7mm) 99
圖 4- 32壓克力型彎曲光纖葡萄糖感測之曲線飄移圖(67µm、3.7mm) 101
圖 4- 33壓克力型彎曲光纖葡萄糖感測之飄移關係圖(67µm、3.7mm) 101
圖 4- 34壓克力型彎曲光纖葡萄糖感測之曲線飄移圖(63µm、3.7mm) 103
圖 4- 35壓克力型彎曲光纖葡萄糖感測之飄移關係圖(63µm、3.7mm) 103
圖 4- 36壓克力型彎曲光纖葡萄糖感測之曲線飄移圖(64µm、3.7mm) 105
圖 4- 37壓克力型彎曲光纖葡萄糖感測之飄移關係圖(64µm、3.7mm) 105
圖 6- 1彎曲式光纖感測器之抗原-抗體結合示意圖 109
圖 6- 2影像技術分析彎曲光纖感測器之半徑實驗架構 110


表目錄
表 1- 1光纖應用於生醫文獻回顧 6
表 1- 2光纖感測器應用於溫度感測 13
表 1- 3光纖感測器應用於葡萄糖感測文獻回顧 18
表 1- 4光纖感測器應用於折射率感測文獻回顧 24
表 1- 5 WGM光纖感測器製作與封裝種類文獻回顧 31
表 4- 1蝕刻直徑64 m在不同彎曲半徑下之葡萄糖濃度調變實驗結果 69
表 4- 2蝕刻直徑67 m在不同彎曲半徑下之葡萄糖濃度調變實驗結果 79
表 4- 3蝕刻直徑64 m在不同彎曲半徑下之食鹽水濃度調變實驗結果 95

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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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