光纤气体传感器专利技术综述

光纤气体传感器专利技术综述

李韦韦 1 李占 1 吴珊珊 李重阳 袁丽

国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450018

摘要：本文立足于专利文献，对光纤气体传感器的专利申请进行了梳理，分析了光纤气体传感器专利技术的申请趋势和关键技术的发展历程，有助于技术人员了解技术的发展脉络及相关技术的分布。

关键词：光纤，气体，传感器，专利分析

Summary of Patent Technology for Fiber Gas Sensor

Li Weiwei Wu Shanshan¹ Li Zhan Yuan Li

(Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office, CNIPA, Zhengzhou Henan 450018)

Abstracts: From the perspective of the patent, this paper combs the patent applications of optical fiber gas sensor, and analyses the application trends and development history of key technologies of fiber gas sensing patent technology. It helps technicians to learn the development of the technology and the relevant technical distribution in the field.

Key words: fiber; gas; sensor； patent analysis

一、引言

随着工业发展、人口增加、森林砍伐等原因，空气中有毒有害气体的含量不断上升，而人们对生态环境的变化越来越关注，因此对各种污染气体进行实时监测具有重要的现实意义。光纤气体传感器是把气体中的特定成分检测出来，并转换成电信号的器件，从很早就进入人们的视线，将其用来对有毒、有害气体的探测，可安全地用于易燃易爆或其他恶劣环境的气体检测。光纤传感器技术是一项正在发展中的具有广阔前景的新型技术，由于光纤本身在传递过程中具有许多优点，如传输信号时能量损耗小；材料性能稳定，在高温、高压、低温、腐蚀等恶劣环境保持不变；测量范围宽，可同时进行多参数检测；多数情况下不改变样品的组成，是非破坏性分析；这些优点使光纤传感技术一直在飞速发展^[1-2]。

二、光纤气体传感器专利申请现状

为了全面获得光纤气体传感器技术领域的专利数据，笔者在incopat中进行检索，截止2020年4月20日，光纤气体传感器的相关专利共有4412项。基于获得的检索数据，从全球专利申请量及其在不同国家申请量、主要申请人排名三个角度对检索结果进行归纳。

（一）全球专利申请量分析

为了研究光纤气体传感器专利技术的发展情况，对采集的数据按照每年申请量进行统计分析。图1显示了光纤气体传感器的全球专利申请趋势。从图1可以看出，自1993年后光纤气体传感器专利技术发展，大致分为技术积累期、快速增长期及稳定期。自1993年光纤传感器作为新的技术开始发展，全球申请量处于稳定增长期，各国均有申请，在2005年与2008年出现波谷。从2009年到2013年，申请量急剧增长，并于2013年出现一个高峰，之后趋于稳定。

图 1 光纤气体传感器全球专利申请趋势

图2显示了光纤气体传感器在不同国家的专利申请趋势。由图中不同国家的年申请量对比可以看出，光纤气体传感器技术领域的申请重点集中在中、日、美三国。在技术起步阶段，对该技术研究，日本和美国都较为关注。随着技术的发展，中国的申请量持续增长，说明此时中国对该技术的关注度持续上升。

图 2光纤气体传感器不同国家专利申请趋势

（二）主要申请人排名

图3显示了位列前十位的申请人。从中可以看出，国外的申请人主要集中在企业公司，而国内集中在高校及科研单位，说明虽然近些年中国专利申请量持续上升，但是大部分集中于高校及科研单位，如国家电网、重庆大学、天津大学、武汉理工大学等。企业申请量高，表明光纤气体传感技术已经具有较大的应用价值，企业可在生产应用中发现存在的技术问题并进一步对其进行改进，因此，企业是相关专利申请的绝对主力。而高校如重庆大学、天津大学等，也有较多的申请量，多与科研性质有关，涉及不同的相关技术，例如光子晶体光纤、石墨烯等。

图 3 主要申请人排名

三，光纤气体传感器主要技术分支

光纤气体传感器具有很多优点，如灵敏度高、精度高、分辨率高，可实现远距离测量与控制等优点。现根据检测方法的不同将光纤气体传感器分为以下三种类型：光谱吸收型，折射率变化型，渐逝场型。

1. 光谱吸收型光纤气体传感器

光谱吸收型气体传感器利用气体的吸收光谱因气体分子化学结构、浓度差异产生的不同而进行检测，如果光源覆盖一个或多个气体的吸收线，光通过待测气体时就会发生衰减，根据比尔-朗伯定律可以计算气体的浓度。

1984年，专利文献JPS59137843A公开了利用光纤检测气体浓度的装置。1996年，专利文献US5567622A公开了一种用于检测二氧化氮和四氧化二氮传感器，利用光纤传输光，通过比色传感器选择性地与气体发射反应，吸收激光，通过激光与回波相比较，确定分布的宽区域上气云暴露的程度和位置，解决了可以检测多种组分气体的问题。然而早期光纤气体传感器均是利用光纤传输光信号，将光信号传输入气体吸收池，测量吸收后光强，进一步计算待测气体的浓度。随着光纤制作技术的发展，现有利用光纤作为气室的光纤传感器有2004年专利文献 CN200410037099 公开了一种采用纳米级微孔结构光纤的气体浓度传感器，利用光纤作为气室，实现对多种气体同时检测，提高了检测的精度。但是其光信号耦合时利用了透镜，存在损耗的问题。随着光子晶体光纤技术的发展，2005年专利文献GB0501493D0公开了一种利用空芯光子晶体光纤作为气室，检测氢或乙炔等多种气体的传感器，代替了传统的光纤，提高了有效吸收光程及响应速度。

然而，光谱吸收型气体传感器存在难以消除系统的固有噪声及光谱驱动的问题，导致测量的精度较低，限制了传感系统的应用。

2. 折射率变化型光纤气体传感器

随着光纤技术的发展，出现了折射率变化型气体传感器。在裸露的光纤表面或是端面涂覆一层与气体作用时折射率会发生变化的特殊材料，可以引起波导的参数变化，如损耗、有效折射率、双折射等，可根据参数变化量实现对气体的成分和含量进行分析。

2007年专利文献CN200972456Y公开了一种在光纤锥圆表面溅射Pd膜的氢气传感器，氢气遇到Pd膜后被吸收，膜的折射率发生变化，光通过光纤照射到Pd膜，当氢气浓度发生变化时，会激发表面波产生表面等离子体共振，从而计算氢气浓度。2008年专利文献US5744608A公开了一种包括光纤的光纤气体传感器，光纤芯周围具有不同调幅轮廓的第一和第二折射率周期调制光栅结构，敏感层位于光栅结构的光纤包层周围，基于折射率变化对气体的成分和浓度进行测量，即利用光纤光栅结构检测气体。基于石墨烯技术的发展，2009年，韩国专利文献KR10-2009-0096439公开了一种具有碳纳米结构的层的光纤气体传感器，其在光纤纤芯设置一层碳纳米结构，可以是石墨烯，利用表面折射率对气体吸附敏感的反应，用于检测气体。2012年，专利文献CN102621104A公开了一种石墨烯薄膜增敏的D型光纤SPR传感器及制备方法，其在D型光纤表面镀银膜及石墨烯薄膜层，增加传感结构的灵敏度，可以用于微量气体的检测。2014年专利文献CN103954590A公开了一种采用石墨烯覆盖的微光纤气体传感器，通过在微光纤中段覆盖一单层石墨烯材料，利用其与微量气体接触会明显改变介电常数，从而改变折射率，通过干涉谱辨别气体的类型，具有尺寸微小、精度高、灵敏度高、可重复使用的优点。2018年，专利文献CN108387494A公开了一种基于空芯Bragg光纤的PM2.5浓度检测装置，不同浓度的PM2.5粒子通入空芯Bragg光纤纤芯与涂覆在纤芯内表面的掺碘聚乙炔薄膜接触时，薄膜折射率发生变化，导致纤芯有效折射率发生改变，导致中心波长发生变化，从而获取待测PM2.5浓度，空芯Bragg光纤与实芯光子晶体光纤相比，灵敏度更高，结构简单，响应速度快，检出限低，可避免测量过程中电源电压、环境温湿度波动引起的干扰。

折射率变化型光纤气体传感，结构简单，成本低廉，灵敏度高，但是存在膜层污染问题，目前没有较好的解决方法。

3. 渐逝场型光纤气体传感器

光在光密介质/光疏介质界面发生全反射时，在光疏介质中存在强度按指数规律衰减的渐逝场，光波导在光纤芯中传播时，包层中也存在渐逝场，如果渐逝场区域存在吸收介质，则全反射光能量减少，通过测量光能的衰减量可以计算气体的浓度。

1993年，Hewlett-Packard公司公开了一种感测环境中气体的装置（公开号US5233194A），利用光波导谐振现象，薄膜沉积在光波导上，电介质膜材料具有比气体更高的折射率，随着倏逝波的产生及参数变化检测气体。1999年，专利文献US6006582A公开了在光纤纤芯表面镀一层钯膜，由于钯膜上生成表面等离子波，对光波产生吸收作用，使渐逝场发生改变，影响对光波的吸收，通过检测光强的变化可以得到氢浓度的变化。而国内在此方面也有一定的研究，2008年，专利文献CN101299020A公开了一种基于单根高分子纳米线的光学气体传感器，用一根拉锥维纳光纤通过倏逝波耦合区把光输入到单根高分子纳米线一端，另一端也通过倏逝波耦合区把光输出，以形成传输光信号变化的光学气体传感器，具有小型化、结构简单的特点，可检测ppm量级的氨气和二氧化氮，响应速度比传统薄膜传感器快1-2个数量级。2012年专利文献CN102607610A公开了一种太赫兹多孔光纤倏逝波传感器件，在纤芯中均布沿轴向呈正三角形周期性排列的亚波长空气孔，包层由位于纤芯外部的待测气体或液体组成，利用纤芯与包层界面处的倏逝波实现传感特性，有效降低了基膜有效折射率，减小材料吸收损耗和波导色散。2012年专利文献CN102607609A公开了一种新型高灵敏度光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器件，在实心光子晶体光纤的纤芯设置掺杂芯并增设空气孔，以提高灵敏度，可以用于瓦斯气体、空气污染等检测方面。笔者发现也有利用光纤光栅结合光倏逝波测试气体浓度的研究（CN110823840A）。

对于渐逝场型光纤气体传感，存在与折射率型相同的问题，即膜层污染问题。

四、小结

目前，国内外对光纤气体传感器的研究已经取得了一定的进展，基于光纤制作技术、光子晶体光纤、石墨烯及光纤光栅等相关先进技术各自的优点及相关技术的发展，越来越多的光纤气体传感器被用于生活的方方面面，例如空气污染、爆炸气体等测量领域。通过本文的分析，有助于相关领域的企业和科研机构了解光纤气体传感技术的发展和专利申请情况，为其提供研究思路，从而推过我国光纤气体传感技术的发展。

参考文献：

[1]郑百超，王学锋，薛渊泽，张海岩.光纤传感技术的发展趋势[J].战略研究，2018,(63):135-140

[2]边静.光子晶体光纤气体传感器[J].物理通报，2017，(10),112-113

注：1李韦韦和李占为本文做出同等贡献，为共同第一作者