單秋成臺灣大學:機械工程學研究所歐佳翰Ou, Jia-HanJia-HanOu2010-06-302018-06-282010-06-302018-06-282009U0001-1607200920205900http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/187207以往用來量測生物腔內壓力的感測器是以載有電阻式應變計的感測元件所製成，此種類型的壓力感測器需具有較大的尺寸，對於侵入生物體量測壓力會造成一定的損傷。此外感測元件需要導入電壓才能量測壓力，可能因為絕緣問題而造成觸電的危險。研究使用尺寸小且不需導電的光纖製作壓力感測器，並且以布拉格光纖光柵當作感測元件，埋入針管之中用來量測液體壓力。光纖壓力感測器是以針管側邊製作出量測壓力的窗口。本實驗室之前是採用高分子材料填入量測的窗口作成傳遞壓力變化的薄膜，但由於高分子材料本身較不穩定，在受到固定壓力的情況下還會有持續變形的可能，並且可承受壓力較低容易產生破裂。於是本研究使用金屬薄膜當作量測壓力變化的媒介，在量測窗口外側黏貼一層鋁或銅金屬薄膜，透過金屬薄膜傳遞液體壓力變化，可增加量測過程的穩定性和耐壓性。實驗中以液體靜壓力的油壓系統模擬生物腔內的壓力環境，將光纖壓力感測器放入油壓系統內進行壓力量測。光纖壓力感測器的線性度可以達到0.99，波長和能量靈敏度分別為0.51pm/KPa和0.378mV/KPa。Conventional pressure sensor for bio-mechanical measurement used strain gage element. These are relatively large in size and required excitation, making the measurement fairly invasive and carrying the danger of electric shock.n this study, we fabricated a pressure probe based on Fiber Bragg Grating. Previous effort in this line used polymer as the pressure boundary diaphragm which was prone to break at intermediate pressure and had a lagging response because of the viscoelastic property of polymers. The current work, thin aluminum or copper films have been employed as diaphragm. These metal films could increase the stability of and capacity of pressure range during measurement. By simulating the hydraulic pressure of bio tissue in an oil cylinder, sensitivity of the fiber pressure probe was found to be 0.51pm/KPa for wavelength calibration and 0.378mV/KPa for energy calibration, and have coefficient of determination 0.99.誌謝 I要 IIbstract III錄 IV目錄 VI目錄 VII一章緒論 1.1前言 1.2研究動機 1.3論文結構 2二章光纖與光纖光柵原理 3.1光纖基本介紹 3.1.1光纖結構 3.1.2光纖種類 3.2光纖內部傳輸定理 4.3光纖感測器基本介紹 5.3.1感測器分類 5.3.2感測機制 6.4光纖光柵 6.4.1光纖光柵成型原理 6.4.2光纖光柵的分類 7.4.3布拉格光纖光柵感測原理 8.5光彈效應感測運作原理 9.5.1菲涅爾方程式（Fresnel Equation） 9.5.2光彈效應 10.6光纖感測器壓力量測文獻 10.7生物腔內壓力量測文獻 11.7.1脊椎基本構造 11.7.2生物腔內壓力量測文獻 12三章光纖壓力感測器實驗元件與工作原理 20.1實驗元件介紹 20.2壓力感測器製作方式與工作原理 23.2.1壓力感測器類型 23.2.2壓力感測器使用材料 24.2.3壓力感測器製作方式 24.2.4壓力感測器的工作原理 27四章實驗方法和結果討論 37.1波長感測機制校正實驗方法 37.2波長感測機制校正實驗結果 37.3能量感測機制校正實驗方法 40.4能量感測機制校正實驗結果 41.5穩定性實驗 43.6穩定性實驗結果 43.7薄膜耐壓性 44.8實驗結果討論 44五章實驗結論與未來展望 60.1實驗結論 60.2未來展望 60考文獻 62目錄4-1、A型感測器的波長感測機制校正實驗結果 464-2、B型感測器的波長感測機制校正實驗結果 464-3、三種感測器的能量感測機制校正實驗結果 474-4、矽膠、鋁和銅薄膜的穩定性實驗結果 474-5、矽膠、鋁和銅薄膜的可承受壓力值 47目錄2-1、光纖結構 132-2、不同傳播模態與折射率分佈的光纖種類[1] 132-3、司乃耳定理示意圖 142-4、光線在光纖內以全反射方式傳播 142-5、光繞射原理示意圖[2] 142-6、短週期光纖光柵傳播特性光譜示意圖[2] 152-7、Hill等人在1978年製作短週期光纖光柵的實驗架構[3] 152-8、相位光罩法製作短週期光纖光柵結構示意圖[7] 152-9、長週期光纖光柵傳播特性光譜示意圖[2] 162-10、長週期光纖光柵製作示意圖[9] 162-11、光線經過兩種介質時反射和折射同時發生 162-12、波長飄移型光纖壓力感測器[14] 172-13、相位型光纖壓力感測器[15] 172-14、脊椎結構[17] 182-15、應變計式壓力感測器[23] 182-16、壓電式壓力感測器[24] 192-17、椎間盤壓力量測架構[25] 193-1、光纖熔接機（左）和光纖切割器（右） 283-2、HP83437寬頻光源 283-3、光纖耦合器（上）和光循環器（下） 293-4、光學頻譜分析儀 293-5、複動薄型油壓缸外觀尺寸 303-6、萬能材料試驗機（MTS）施力與複動薄型油壓缸內壓力關係圖 303-7、壓力傳感器幾何尺寸和接線示意圖 313-8、萬能材料試驗機（MTS） 323-9、ASE光源 323-10、可調式光濾波器 333-11、光放大偵測器 333-12、放電加工機 343-13、壓力感測器結構示意圖 343-14、B型壓力感測器整體外觀 353-15、B型感測器製作流程示意圖 353-16、B型感測器矽膠薄膜（上）和金屬薄膜（下）類型外觀 363-17、C型感測器前端形成矽膠薄膜的外觀 363-18、A型和B型壓力感測器工作原理示意圖 364-1、波長感測機制校正實驗架構示意圖 484-2、A1波長感測機制校正曲線圖 484-3、A2波長感測機制校正曲線圖 494-4、A3波長感測機制校正曲線圖 494-5、B-Si-3波長感測機制校正曲線圖 504-6、B-Al-7 m-1波長感測機制校正曲線圖 504-7、B-Al-7 m-2波長感測機制校正曲線圖 514-8、B-Al-7 m-3波長感測機制校正曲線圖 514-9、7 m鋁薄膜受壓凹陷圖 524-10、B-Al-25 m-1波長感測機制校正曲線圖 524-11、B-Al-25 m-2波長感測機制校正曲線圖 534-12、B-Cu-18 m-2波長感測機制校正曲線圖 534-13、銅薄膜和鋁薄膜卸壓後外觀圖 544-14、B-Cu-25 m-1波長感測機制校正曲線圖 544-15、B-Al-7 m-2不同壓力下的反射波峰波長改變情形 554-16、能量感測機制校正實驗架構示意圖 554-17、A3能量感測機制校正實驗曲線圖 564-18、B-Si-3能量感測機制校正實驗曲線圖 564-19、B-Al-7 m-2能量感測機制校正實驗曲線圖 574-20、B-Al-25 m-1能量感測機制校正實驗曲線圖 574-21、B-Cu-18 m-2能量感測機制校正實驗曲線圖 584-22、B-Cu-25 m-1能量感測機制校正實驗曲線圖 584-23、C1能量感測機制校正實驗曲線圖 59en-US布拉格光纖光柵壓力感測器生物腔內Fiber Bragg GratingPressure probeBio tissuethesis