专利名称：多气体感测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体感测装置，特别涉及一种利用平面光波导线路建构具有感测信道与参考信道以提供感测至少一种气体的多气体感测装置。
背景技术：
多气体的定性、定量检测在环境监控、家用警报、化工控制、温室环境控制及航空等领域有着广泛的应用。使用气体传感器进行多气体的定性定量研究，可以大幅降低测量成本，减少测量周期，并可实现实时监控测量。但由于目前的气体传感器，如半导体氧化物式、金属氧化物式、电化学式或固态电解质式普遍存在着交叉敏感性(Cross sensitivity)的问题，而交叉敏感性会大幅降低测量的重复性和可靠性，并使传感器无法准确判定个别标的气体的浓度，虽然可利用多个敏感程度不同的气体传感器组成传感器组来实现多气体感测，但仍无法消除传感器对不同气体的交叉敏感性。而利用不同气体对于红外光有不同吸收特性的原理，所设计的光学气体传感器因无交叉敏感性问题，故极适合用来实现多气体传感器的设计开发。现有光学气体传感器因受到传统腔体结构上的限制，导致在实现多气体感测的同时，会因封装检测组件数量的增加，而使传感器的体积大幅增加，制作成本也相对提高。因此，目前光学气体传感器大多只针对单一气体进行感测设计，对于同时可能存在多种危害性气体的环境，不具备适应性的感测能力。
参考图1，为传统的光学单气体传感器，该光学单气体传感器的结构包含有红外光源10、参考光源11、腔体12、分光滤波片13及检光二极管14。由红外光源10所发出一具有特定波长范围的光，会在腔体12内部进行反射和传递，此过程中，某一特定波长的光会穿透分光滤波片13，而被检光二极管14所接收，其原理是利用该特定波长的光被待测气体吸收前后所产生的光强度变化量，来感测待测气体种类与浓度。而参考光源11所发出的光不会被待测气体吸收，因此，其光强度值可作为信号初始值或参考值。在一般气体传感器的设计中，参考光源的最主要功用是用来消除因环境温度压力变化、材料特性改变及检测光源劣化等因素所造成的信号误判。
此外，美国专利公告号6067840所公开的技术，其参考光源与检测光源分属不同的来源。又如，美国专利公告号6469303、6392234、5610400与5550375所公开的技术，为单气体的感测技术。
综合上述公知技术架构，存在着以下四个主要的缺点1.参考光源与检测光源(红外光源10)分属不同来源。当参考光源与检测光源在不同的时间点出现劣化时，将使得信号初始值(无气体反应)与信号响应值(有气体反应)难以辨别。若参考光源与检测光源属同一来源，其参考光源与检测光源劣化时间点会一致，则信号初始值与信号响应值将很容易辨别出来。
2.参考光源与检测光源所走的光程路径长度不同。当环境温度、压力或材料特性出现变化时，会造成空气与材料折射率改变，而光程路径长度也会跟着改变，若参考光源与检测光源所走的光程路径长度不同，会使得信号初始值易受到环境温度、压力或材料特性变化的影响，而降低传感器的准确度及长期稳定性。
3.无法实现多气体感测。
4.无法大幅薄型化气体传感器。
综上所述，非常需要一种多气体感测装置来解决公知技术中的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多气体感测平台，可消除多气体检测时的交叉敏感性。此外，利用平面光波导线路设计而成的感测信道与参考信道，可消除因光源劣化、环境温度变化、压力变化及波导材料特性变化所造成的信号误判，进而提高传感器的准确度及长期稳定性。而通过平面光波导线路的应用，可大幅薄型化气体传感器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种多气体感测装置，其包括一发光器、一平面光波导线路以及至少一检光器。该发光器，可发射出一信号光。该平面光波导线路，其一前端与该发光器相耦接，该平面光波导线路还具有一感测信道以及一参考信道，该感测信道与该参考信道分别具有至少一开口区以及至少一末端，该平面光波导线路可接收该信号光以分别形成一感测光信号以及一参考光信号。该至少一检光器，其设置于该感测信道及该参考信道所设的至少一末端处，将该感测光信号以及该参考光信号转换成电信号。
较佳的是，该发光器可选择为一边射型激光二极管、面射型激光二极管或发光二极管。
较佳的是，该感测信道的开口区与该参考信道的开口区具有相同的间距。该感测信道与该参考信道具有相同的长度。
较佳的是，该多气体感测装置还具有至少一隔离片，覆盖在该参考信道的至少一开口区四周。
较佳的是，该检光器与该感测信道及该参考信道所设的至少一末端间还具有一滤波片。
较佳的是，该多气体感测装置，还包括有一基板，用来承载该发光器、该平面光波导线路以及该检光器，其中该平面光波导线路直接制作在该基板的表面。其中该基板可选择为一半导体材料、一高分子材料或一金属材料。
较佳的是，该多气体感测装置，还包括有用来隔离灰尘与脏污并允许待测气体通过的一灰尘隔离膜。
较佳的是，该多气体感测装置，还包括有一控制电路，该控制电路与该发光器以及该检光器连接构成气体传感器。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种多气体感测装置，其包括数个发光器、数个平面光波导线路以及数个检光器。该数个发光器可发射出一信号光。该数个平面光波导线路，其前端分别与该数个发光器相耦接，该平面光波导线路还具有一感测信道以及一参考信道，该感测信道与该参考信道分别具有至少一开口区以及至少一末端，该平面光波导线路可接收该信号光来分别形成一感测光信号以及一参考光信号。该数个检光器，其分别设置于该感测信道及该参考信道所设的至少一末端处，来将该感测光信号以及该参考光信号转换成电信号。
较佳的是，任两相邻的该发光器所发射出的信号光波长可选择为相同的波长或不相同的波长。
较佳的是，相邻的该发光器之间还包括有一中间发光器，该中间发光器以光波导线路与相邻的该平面光波导线路连通。该中间发光器所发出的信号光波长与相邻的该发光器所发射出的信号光波长可选择为相同的波长或不相同的波长。
下面配合附图和具体实施例对本发明的特征作详细说明，但不作为对本发明的限定。
图1为公知技术的光学单气体传感器示意图；图2A为本发明多气体感测装置的较佳实施例示意图；图2B为本发明多气体感测装置的隔离区示意图；图3A为本发明的感测信道开口另一较佳实施例示意图；图3B为本发明的参考信道开口另一较佳实施例示意图；图4为本发明多气体感测装置的另一较佳实施例俯视示意图。
其中，附图标记1-单气体传感器10-红外光源11-参考光源12-腔体13-分光滤波片14-检光二极管2-多气体传感器20-基板21-发光器22-平面光波导线路221-感测信道2210-开口区2211-末端2212、2213、2214-波导分支222-参考信道2220-开口区2221-隔离片2222-隔离块
2223-末端2224、2225、2226-波导分支223-前端23-滤波片24-检光器3-多气体传感器30-基板31-第一发光器32-第二发光器33-第三发光器34-第一平面光波导线路341-感测信道3410-开口区342-参考信道3420-隔离片35-第二平面光波导线路351-感测信道3510-开口区352-参考信道3520-隔离片36-第三平面光波导线路361-分歧波导线路371、372、373、374-滤波片381、382、383、384-检光器具体实施方式
请参考图2A，该图为本发明多气体感测装置的较佳实施例示意图。该实施例主要是用来实现单气体感测，该感测装置2形成于一基板20上。该基板20的材料为半导体材料、高分子材料、金属材料或是软性材料。该感测装置2包含有一发光器21、一平面光波导线路22、一滤波片23以及至少一检光器24。该平面光波导线路22的前端223与该发光器21相耦接，以接收该发光器21所发出的侦测光。该发光器21可为边射型激光二极管、面射型激光二极管或发光二极管(LED)，光波长的选择，可视待测气体种类而定。
该平面光波导线路22还具有一感测信道221以及一参考信道222。该感测信道221分成两波导分支2212、2213，每一波导分支2212、2213上各具有一开口区2210，该两波导分支2212、2213在开口区2210之后再交会合一。该感测信道221还具有至少一末端2211，该末端2211处分别设置有该滤波片23，该滤波片23之后还设置有该检光器24。在本实施例中，该波导分支2212、2213的数量可视情况而设定，并不局限于本实施例分支的数量，至于波导分支的目的是在于增加侦测光与气体接触的面积，以便得到精准的测量。如图3A所示，该波导分支2212、2213、2214为三个。
请参考图2A以及图2B，其中图2B为本发明多气体感测装置的隔离区示意图。该参考信道222分成两波导分支2224、2225，每一波导分支2224、2225上各具有一开口区2220(如图2B所示)，该两波导分支2224、2225在开口区2220之后再交会合一。本实施例中，该参考信道222的开口区2220与该感测信道221的开口区2210具有相同的间距，该参考信道222的长度与该感测信道221的长度相同。
该参考信道222设置的目的在于取得测量的一相对基准值，而该基准值测量所使用的气体为空气。请参考图2B，为了避免空气与待测气体混合，因此在该开口区2220周围用两隔离块2222挡住，然后在该开口区2220的上方覆盖一隔离片2221，以达到隔离空气与待测气体的目的。该参考信道222还具有至少一末端2223，该末端2223处设置有该滤波片23，该滤波片23之后还设置有该检光器24。该发光器21以及该检光器24连接至一控制电路，来构成气体传感器，该控制电路可控制该发光器21发射光源，以及处理该检光器24产生的电信号。在本实施例中，该波导分支2224、2225的数量可视情况而设定，并不局限于本实施例分支的数量，至于波导分支的目的在于增加侦测光与气体接触的面积，以得到精准的测量。如图3B所示，该波导分支2224、2225、2226为三个。
接下来说明该多气体感测装置2的运行方式，由发光器20所发出的光会耦合进入前端223，并通过平面光波导线路22导光与分光，分别进入感测信道221与参考信道222，进入感测信道221的光会在开口区2210与待测气体接触，该光的强度会因被气体吸收而改变，最后穿透滤波片23而进入检光器24，并产生响应信号。而进入参考信道222的光，因受隔离片2221的阻隔，不会在开口区2220与待测气体接触，该光的强度可维持不变，最后穿透滤波片23进入检光器24，并产生参考信号。上述的滤波片23主要是用来隔离检测光源之外的其它信号光或杂散光，而检光器24的主要功用是将光信号转换成电信号。另外，为了避免外部环境的灰尘或污渍污染了开口区而影响感测的精度，还可提供一灰尘隔离膜来隔离该多气体感测装置2与灰尘或脏污接触并允许待测气体通过。
请参考图4，该图为本发明多气体感测装置的另一较佳实施例俯视示意图。该多气体感测装置3，形成于一基板30上，主要用来实现三气体感测，其结构基本上是以图2A的架构为基础，仅是扩充了平面光波导线路的分歧线。该装置3具有一第一平面光波导线路34、一第二平面光波导线路35以及一第三平面光波导线路36。该第一平面光波导线路34的前端与一第一发光器31耦接，该第二平面光波导线路35的前端与一第三发光器33耦接，该第三平面光波导线路36的前端与一第二发光器32耦接。其中，该基板30的材料为半导体材料、高分子材料、金属材料或是软性材料，而第一发光器31、第二发光器32以及该第三发光器33可发射不同波长的侦测光，且可选择为边射型激光二极管、面射型激光二极管或发光二极管(LED)。至于发光器所发出的侦测光波长的选择，可视待测气体种类而定。
该第三平面光波导线路36以两分歧波导线路361分别与该第一平面光波导线路34以及该第二平面光波导线路35耦接连通。该第一平面光波导线路34与该第二光波导线路35结构相同，分别具有一感测信道341、351以及一参考信道342、352。该感测信道341、351分成两波导分支，每一波导分支上各具有一开口区3410、3510，该两波导分支在开口区3410、3510之后再交会合一。该感测信道341、351还具有至少一末端，该末端处设置有一滤波片371、373，该滤波片371、373之后还设置有一检光器381、383。
该参考信道342、352分成两波导分支，每一波导分支上各具有一开口区，该两波导分支在开口区之后再交会合一。该开口区的上方覆盖一隔离片3420、3520，用来将开口区内之空气与待测气体隔绝。该参考信道342、352还具有至少一末端，该末端处设置有一滤波片372、374，该滤波片之后还设置有一检光器382、384。至于测量的原理，与上述图2A的相同，在此不再赘述。
借助适当的平面光波导线路的运用，本发明具有下列优点(1)可大幅薄型化气体传感器。(2)可实现多气体感测，其待测气体数量的扩充性高。(3)信号响应时间短。(4)准确度及长期稳定性高。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明范围。例如，该平面光波导线路的前端、感测信道、参考信道及末端的数量，可任意减少或增加。该发光器与该检光器的数量，可依该平面光波导线路的前端、感测信道、参考信道及末端的数量的变化，而弹性增加或减少。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种多气体感测装置，其特征在于，包括一发光器，可发射出一信号光；一平面光波导线路，其前端与该发光器相耦接，该平面光波导线路还具有一感测信道以及一参考信道，该感测信道与该参考信道分别具有至少一开口区以及至少一末端，该平面光波导线路可接收该信号光以分别形成一感测光信号以及一参考光信号；以及至少一检光器，分别设置于该感测信道及该参考信道所设的至少一末端处，用来将该感测光信号以及该参考光信号转换成电信号。
2.根据权利要求1所述的多气体感测装置，其特征在于，该发光器可选择为一边射型激光二极管、面射形激光二极管或发光二极管。
3.根据权利要求1所述的多气体感测装置，其特征在于，该感测信道的开口区与该参考信道的开口区具有相同的间距。
4.根据权利要求1所述的多气体感测装置，其特征在于，还具有至少一隔离片覆盖于该参考信道的至少一开口区四周。
5.根据权利要求1所述的多气体感测装置，其特征在于，该感测信道与该参考信道具有相同的长度。
6.根据权利要求1所述的多气体感测装置，其特征在于，该检光器与该感测信道及该参考信道所设的至少一末端间还具有一滤波片。
7.根据权利要求1所述的多气体感测装置，其特征在于，还包括有一基板，用来承载该发光器、该平面光波导线路以及该检光器，其中该平面光波导线路直接制作于该基板的表面。
8.根据权利要求7所述的多气体感测装置，其特征在于，该基板可选择为一半导体材料、一高分子材料或一金属材料。
9.根据权利要求1所述的多气体感测装置，其特征在于，还包括有可隔离灰尘与脏污并允许待测气体通过的一灰尘隔离膜。
10.根据权利要求1所述的多气体感测装置，其特征在于，还包括有一控制电路，该控制电路与该发光器以及该检光器连接来构成气体传感器。
11.一种多气体感测装置，其特征在于，包括多个发光器，该发光器可发射出一信号光；多个平面光波导线路，其前端分别与该多个发光器相耦接，该平面光波导线路还具有一感测信道以及一参考信道，该感测信道与该参考信道分别具有至少一开口区以及至少一末端，该平面光波导线路可接收该信号光以分别形成一感测光信号以及一参考光信号；以及多个检光器，其分别设置于该感测信道及该参考信道所设的至少一末端处，用来将该感测光信号以及该参考光信号转换成电信号。
12.根据权利要求11所述的多气体感测装置，其特征在于，任两相邻的该发光器所发射出的信号光波长可选择为相同的波长或不相同的波长。
13.根据权利要求11所述的多气体感测装置，其特征在于，相邻的该发光器之间还包括有一中间发光器，该中间发光器通过光波导线路与相邻的该平面光波导线路连通。
14.根据权利要求13所述的多气体感测装置，其特征在于，该中间发光器所发出的信号光波长与相邻的该发光器所发射出的信号光波长可选择为相同的波长或不相同的波长。
15.根据权利要求13所述的多气体感测装置，其特征在于，该中间发光器可选择为一边射型激光二极管、面射形激光二极管或发光二极管。
16.根据权利要求11所述的多气体感测装置，其特征在于，该发光器可选择为一边射型激光二极管、面射形激光二极管或发光二极管。
17.根据权利要求11所述的多气体感测装置，其特征在于，该感测信道的开口区与该参考信道的开口区具有相同的间距。
18.根据权利要求11所述的多气体感测装置，其特征在于，还具有至少一隔离片覆盖于该参考信道的至少一开口区四周。
19.根据权利要求11所述的多气体感测装置，其特征在于，该感测信道与该参考信道具有相同的长度。
20.根据权利要求11所述的多气体感测装置，其特征在于，该检光器与该感测信道及该参考信道所设的末端间还具有一滤波片。
21.根据权利要求11所述的多气体感测装置，其特征在于，还包括有一基板，用来承载该多个发光器、该多个平面光波导线路以及该多个检光器，其中该多个平面光波导线路直接制作于该基板的表面。
22.根据权利要求21所述的多气体感测装置，其特征在于，该基板可选择为一半导体材料、一高分子材料或一金属材料。
23.根据权利要求11所述的多气体感测装置，其特征在于，还包括有可隔离灰尘与脏污并允许待测气体通过的一灰尘隔离膜。
24.根据权利要求11所述的多气体感测装置，其特征在于，还包括有一控制电路，该控制电路与该发光器以及该检光器连接来构成气体传感器。
全文摘要
本发明公开了一种多气体感测装置，利用平面光波导线路建构具有感测信道与参考信道的多气体感测平台，可大幅薄型化气体传感器结构，并提高气体传感器的准确度、长期稳定性及缩短响应时间。可广泛应用于工厂作业场所的安全监测、工作人员安全监测、厂区灾害预警、限制区域安全检测、管线侦漏、环保汽机车废气检测及居家环境质量监测。
文档编号G01N21/25GK1967211SQ20051011538
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月16日 优先权日2005年11月16日
发明者蔡明郎, 张金生, 邱以泰, 朱俊勋 申请人:财团法人工业技术研究院