光纖氣體傳感器專利技術綜述摘要：本文立足于專利文獻，對光纖氣體傳感器的專利申請進行了梳理，分析了光纖氣體傳感器專利技術的申請趨勢和關鍵技術的發展歷程，有助于技術人員了解技術的發展脈絡及相關技術的分布。

關鍵詞：光纖，氣體，傳感器，專利分析

SummaryofPatentTechnologyforFiberGasSensor

LiWeiwei

WuShanshan1

LiZhan

YuanLi

(PatentExaminationCooperationHenanCenterofthePatentOffice,CNIPA,ZhengzhouHenan450018)

Abstracts:Fromtheperspectiveofthepatent,thispapercombsthepatentapplicationsofopticalfibergassensor,andanalysestheapplicationtrendsanddevelopmenthistoryofkeytechnologiesoffibergassensingpatenttechnology.Ithelpstechnicianstolearnthedevelopmentofthetechnologyandtherelevanttechnicaldistributioninthefield.

Keywords:fiber;gas;sensor；patentanalysis

一、引言

隨著工業發展、人口增加、森林砍伐等原因，空氣中有毒有害氣體的含量不斷上升，而人們對生態環境的變化越來越關注，因此對各種污染氣體進行實時監測具有重要的現實意義。光纖氣體傳感器是把氣體中的特定成分檢測出來，并轉換成電信號的器件，從很早就進入人們的視線，將其用來對有毒、有害氣體的探測，可安全地用于易燃易爆或其他惡劣環境的氣體檢測。光纖傳感器技術是一項正在發展中的具有廣闊前景的新型技術，由于光纖本身在傳遞過程中具有許多優點，如傳輸信號時能量損耗小；材料性能穩定，在高溫、高壓、低溫、腐蝕等惡劣環境保持不變；測量范圍寬，可同時進行多參數檢測；多數情況下不改變樣品的組成，是非破壞性分析；這些優點使光纖傳感技術一直在飛速發展[1-2]。

二、光纖氣體傳感器專利申請現狀

為了全面獲得光纖氣體傳感器技術領域的專利數據，筆者在incopat中進行檢索，截止2020年4月20日，光纖氣體傳感器的相關專利共有4412項。基于獲得的檢索數據，從全球專利申請量及其在不同國家申請量、主要申請人排名三個角度對檢索結果進行歸納。

（一）全球專利申請量分析

為了研究光纖氣體傳感器專利技術的發展情況，對采集的數據按照每年申請量進行統計分析。圖1顯示了光纖氣體傳感器的全球專利申請趨勢。從圖1可以看出，自1993年后光纖氣體傳感器專利技術發展，大致分為技術積累期、快速增長期及穩定期。自1993年光纖傳感器作為新的技術開始發展，全球申請量處于穩定增長期，各國均有申請，在2005年與2008年出現波谷。從2009年到2013年，申請量急劇增長，并于2013年出現一個高峰，之后趨于穩定。

圖1光纖氣體傳感器全球專利申請趨勢

圖2顯示了光纖氣體傳感器在不同國家的專利申請趨勢。由圖中不同國家的年申請量對比可以看出，光纖氣體傳感器技術領域的申請重點集中在中、日、美三國。在技術起步階段，對該技術研究，日本和美國都較為關注。隨著技術的發展，中國的申請量持續增長，說明此時中國對該技術的關注度持續上升。

圖2光纖氣體傳感器不同國家專利申請趨勢

（二）主要申請人排名

圖3顯示了位列前十位的申請人。從中可以看出，國外的申請人主要集中在企業公司，而國內集中在高校及科研單位，說明雖然近些年中國專利申請量持續上升，但是大部分集中于高校及科研單位，如國家電網、重慶大學、天津大學、武漢理工大學等。企業申請量高，表明光纖氣體傳感技術已經具有較大的應用價值，企業可在生產應用中發現存在的技術問題并進一步對其進行改進，因此，企業是相關專利申請的絕對主力。而高校如重慶大學、天津大學等，也有較多的申請量，多與科研性質有關，涉及不同的相關技術，例如光子晶體光纖、石墨烯等。

圖3主要申請人排名

三，光纖氣體傳感器主要技術分支

光纖氣體傳感器具有很多優點，如靈敏度高、精度高、分辨率高，可實現遠距離測量與控制等優點。現根據檢測方法的不同將光纖氣體傳感器分為以下三種類型：光譜吸收型，折射率變化型，漸逝場型。

1，光譜吸收型光纖氣體傳感器

光譜吸收型氣體傳感器利用氣體的吸收光譜因氣體分子化學結構、濃度差異產生的不同而進行檢測，如果光源覆蓋一個或多個氣體的吸收線，光通過待測氣體時就會發生衰減，根據比爾-朗伯定律可以計算氣體的濃度。

1984年，專利文獻JPS59137843A公開了利用光纖檢測氣體濃度的裝置。1996年，專利文獻US5567622A公開了一種用于檢測二氧化氮和四氧化二氮傳感器，利用光纖傳輸光，通過比色傳感器選擇性地與氣體發射反應，吸收激光，通過激光與回波相比較，確定分布的寬區域上氣云暴露的程度和位置，解決了可以檢測多種組分氣體的問題。然而早期光纖氣體傳感器均是利用光纖傳輸光信號，將光信號傳輸入氣體吸收池，測量吸收后光強，進一步計算待測氣體的濃度。隨著光纖制作技術的發展，現有利用光纖作為氣室的光纖傳感器有2004年專利文獻CN200410037099公開了一種采用納米級微孔結構光纖的氣體濃度傳感器，利用光纖作為氣室，實現對多種氣體同時檢測，提高了檢測的精度。但是其光信號耦合時利用了透鏡，存在損耗的問題。隨著光子晶體光纖技術的發展，2005年專利文獻GB0501493D0公開了一種利用空芯光子晶體光纖作為氣室，檢測氫或乙炔等多種氣體的傳感器，代替了傳統的光纖，提高了有效吸收光程及響應速度。

然而，光譜吸收型氣體傳感器存在難以消除系統的固有噪聲及光譜驅動的問題，導致測量的精度較低，限制了傳感系統的應用。

2，折射率變化型光纖氣體傳感器

隨著光纖技術的發展，出現了折射率變化型氣體傳感器。在裸露的光纖表面或是端面涂覆一層與氣體作用時折射率會發生變化的特殊材料，可以引起波導的參數變化，如損耗、有效折射率、雙折射等，可根據參數變化量實現對氣體的成分和含量進行分析。

2007年專利文獻CN200972456Y公開了一種在光纖錐圓表面濺射Pd膜的氫氣傳感器，氫氣遇到Pd膜后被吸收，膜的折射率發生變化，光通過光纖照射到Pd膜，當氫氣濃度發生變化時，會激發表面波產生表面等離子體共振，從而計算氫氣濃度。2008年專利文獻US5744608A公開了一種包括光纖的光纖氣體傳感器，光纖芯周圍具有不同調幅輪廓的第一和第二折射率周期調制光柵結構，敏感層位于光柵結構的光纖包層周圍，基于折射率變化對氣體的成分和濃度進行測量，即利用光纖光柵結構檢測氣體。基于石墨烯技術的發展，2009年，韓國專利文獻KR10-2009-0096439公開了一種具有碳納米結構的層的光纖氣體傳感器，其在光纖纖芯設置一層碳納米結構，可以是石墨烯，利用表面折射率對氣體吸附敏感的反應，用于檢測氣體。2012年，專利文獻CN102621104A公開了一種石墨烯薄膜增敏的D型光纖SPR傳感器及制備方法，其在D型光纖表面鍍銀膜及石墨烯薄膜層，增加傳感結構的靈敏度，可以用于微量氣體的檢測。2014年專利文獻CN103954590A公開了一種采用石墨烯覆蓋的微光纖氣體傳感器，通過在微光纖中段覆蓋一單層石墨烯材料，利用其與微量氣體接觸會明顯改變介電常數，從而改變折射率，通過干涉譜辨別氣體的類型，具有尺寸微小、精度高、靈敏度高、可重復使用的優點。2018年，專利文獻CN108387494A公開了一種基于空芯Bragg光纖的PM2.5濃度檢測裝置，不同濃度的PM2.5粒子通入空芯Bragg光纖纖芯與涂覆在纖芯內表面的摻碘聚乙炔薄膜接觸時，薄膜折射率發生變化，導致纖芯有效折射率發生改變，導致中心波長發生變化，從而獲取待測PM2.5濃度，空芯Bragg光纖與實芯光子晶體光纖相比，靈敏度更高，結構簡單，響應速度快，檢出限低，可避免測量過程中電源電壓、環境溫濕度波動引起的干擾。

折射率變化型光纖氣體傳感，結構簡單，成本低廉，靈敏度高，但是存在膜層污染問題，目前沒有較好的解決方法。

3，漸逝場型光纖氣體傳感器

光在光密介質/光疏介質界面發生全反射時，在光疏介質中存在強度按指數規律衰減的漸逝場，光波導在光纖芯中傳播時，包層中也存在漸逝場，如果漸逝場區域存在吸收介質，則全反射光能量減少，通過測量光能的衰減量可以計算氣體的濃度。

1993年，Hewlett-Packard公司公開了一種感測環境中氣體的裝置（公開號US5233194A），利用光波導諧振現象，薄膜沉積在光波導上，電介質膜材料具有比氣體更高的折射率，隨著倏逝波的產生及參數變化檢測氣體。1999年，專利文獻US6006582A公開了在光纖纖芯表面鍍一層鈀膜，由于鈀膜上生成表面等離子波，對光波產生吸收作用，使漸逝場發生改變，影響對光波的吸收，通過檢測光強的變化可以得到氫濃度的變化。而國內在此方面也有一定的研究，2008年，專利文獻CN101299020A公開了一種基于單根高分子納米線的光學氣體傳感器，用一根拉錐維納光纖通過倏逝波耦合區把光輸入到單根高分子納米線一端，另一端也通過倏逝波耦合區把光輸出，以形成傳輸光信號變化的光學氣體傳感器，具有小型化、結構簡單的特點，可檢測ppm量級的氨氣和二氧化氮，響應速度比傳統薄膜傳感器快1-2個數量級。2012年專利文獻CN102607610A公開了一種太赫茲多孔光纖倏逝波傳感器件，在纖芯中均布沿軸向呈正三角形周期性排列的亞波長空氣孔，包層由位于纖芯外部的待測氣體或液體組成，利用纖芯與包層界面處的倏逝波實現傳感特性，有效降低了基膜有效折射率，減小材料吸收損耗和波導色散。2012年專利文獻CN102607609A公開了一種新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件，在實心光子晶體光纖的纖芯設置摻雜芯并增設空氣孔，以提高靈敏度，可以用于瓦斯氣體、空氣污染等檢測方面。筆者發現也有利用光纖光柵結合光倏逝波測試氣體濃度的研究（CN110823840A）。

對于漸逝場型光纖氣體傳感，存在與折射率型相同的問題，即膜層污染問題。

四、小結

目前，國內外對光纖氣體傳感器的研究已經取得了一定的進展，基于光纖制作技術、光子晶體光纖、石墨烯及光纖光柵等相關先進技術各自的優點及相關技術的發展，越來越多的光纖氣體傳感器被用于生活的方方面面，例如空氣污染