DE4411035A1 - Optischer Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor zur Be­ stimmung einer Stoffkomponente innerhalb eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, mit einer integriert optischen Anordnung, die einen dielektrischen Wellenleiter aufweist, wobei eine durch Einstrahlung von Licht in den Wellenleiter anregbare Mode sowie eine Meßeinrichtung zur Erfassung der Reflexion vorgesehen sind.

Es ist bereits ein Anordnung dieser Art aus der DE-OS 40 33 912.2 bekannt, bei der ein auf einem Substrat befindlicher Wellenleiter mit einem zum Beispiel eingeätzten Beugungsgitter zum Einkoppeln des Lichtstrahles vorgesehen ist. Ändern sich die Eigenschaften dieses Wellenleiters, so kann dies am Auskoppellichtstrahl gemessen werden.

Das Ein- und Auskoppeln eines Lichtstrahles mittels eines Beu­ gungsgitters erfordert eine entsprechende Bearbeitung, zum Beispiel durch Einätzen, was aber vergleichsweise aufwendig ist.

Eine weitere, bekannte Art der Lichtein- und -auskoppelung in beziehungsweise aus einem Wellenleiter besteht darin, ein Prisma zu verwenden (P.K.Tien: Integratet Optics and new wave phenomena in optical waveguides, in: Reviews of Modern Physics, Vol. 49 (1977), S. 372). In diesem Falle wird ein Lichtstrahl über das an den meist als Film ausgebildeten Wellenleiter angepreßte Prisma ein- und ausgekoppelt, so daß damit Lichtwellenleiter bezüglich der Brechzahl und auch zur Bestimmung der ausbreitungsfähigen Moden vermessen werden können. Auch hier befindet sich der Wellenleiterfilm auf einem als Trägerkörper dienenden Substrat. Eine Beeinflussung des Lichtwellenleiters während des Meßvorganges und damit der Einsatz als Sensor ist bei dieser Anordnung nicht möglich, da der Untersuchungsbereich des Lichtwellenleiters während der Messung auf der einen Seite durch das Prisma und auf der anderen Seite durch das Substrat für ein Untersuchungsmedium unzugänglich abgedeckt ist.

Schließlich besteht prinzipiell noch die Möglichkeit, einen Lichtstrahl stirnseitig bei einem Lichtwellenleiter ein- und/oder auszukoppeln. Dazu ist eine Bearbeitung der entspre­ chenden Stirnseite(n) erforderlich, wobei dies bei einer Reihe von Wellenleiter-Materialien und -Formen nicht oder nur schwierig möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Meß-Sensor für flüssige oder gasförmige Medien zu schaffen, der einfach im Aufbau ist und eine hohe Meßempfindlichkeit aufweist und einen vielseitigen Einsatz ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen, daß der Wellenleiter eine unter Umwelteinflüssen den effektiven Brechungsindex der in ihm geführten Mode ändernde Schicht ist, die sich auf einer Fläche eines Prismas zum Einkoppeln des Lichtstrahles befindet und mit seiner dem Prisma abgewandten Seite eine Kontaktfläche für den zu untersuchenden Stoff bildet und daß zwischen der der Wellenleiter-Schicht zugewandten Prismenfläche und der Wellenleiter-Schicht eine teiltransparente Zwischenschicht vorgesehen ist.

Es ist aus der eingangs zitierten Druckschrift von P.K. Tien eine Anordnung bekannt, bei der der Wellenleiter direkt dem Prisma zugewandt ist und sich der Träger (Substrat) auf der anderen Seite, dem Prisma abgewandt befindet. Das Substrat verhindert, daß der sensitive Wellenleiter direkt seiner Testumgebung ausgesetzt werden kann.

Würde man Lichtwellenleiter umdrehen und den Träger (Substrat) dem Prisma zuwenden, so könnte auch unter Variation der Brechungsindizes von Substrat und Prisma niemals eine Welle in dem Leiter angeregt werden.

Ist z. B. der Brechungsindex von Prisma und Substrat am größten gewählt, so ist keine Wellenführung möglich, da das Licht zwar an der dem Prisma abgewandten Seite der sensitiven Schicht totalreflektiert aber an der zugewandten transmittiert wird. Damit ist keine Wellenführung möglich.

Besitzt das Substrat einen geringeren Brechungsindex als Prisma und Film, so würde ein vom Prisma her einfallender Strahl schon am Substrat totalreflektiert werden, bevor überhaupt eine Wellenführung einsetzen kann.

Beim Erfindungsgegenstand ist nun eine Anordnung vorgenommen und mit Maßnahmen derart kombiniert worden, daß Licht über eine teiltransparente Zwischenschicht mit einem Wellenleiter koppelt. Diese teiltransparente, vorzugsweise metallische Zwischenschicht weist eine solche Reflektivität auf, daß der Lichtstrahl zum Einkoppeln in den niedrig brechenden Wellenleiter durchgelassen wird und dort gehalten wird. Hier führt die teiltransparente Zwischenschicht zu ausgeprägten charakteristischen Minima in der Reflektion. Im Gegensatz zur zitierten Druckschrift von P.K. Tien, in der sehr hohe Dämpfungen die Wellenführung höherer Moden zerstören, treten gerade diese Moden bei der erfindungsgemäßen Anordnung deutlich hervor.

Beim Erfindungsgegenstand kann der Zugang zu der Wellenleiter- Schicht für die Stoffkomponenten beziehungsweise das Meßmedium frei zugänglich von der dem Prisma abgewandten Seite erfolgen. In einer besonders einfachen Ausführungsform übernimmt das Prisma dabei selbst auch die Trägerfunktion des sonst vorgesehenen Substrates.

Die teiltransparente Zwischenschicht ergibt durch Mehrfachreflexion einen steileren Verlauf der vom Einstrahlwinkel abhängigen Intensitätskurve mit entsprechend geringer Halbwertsbreite und damit auch eine wesentlich höhere Meßempfindlichkeit.

Der effektive Brechungsindex der geführten Mode kann sich aufgrund verschiedener Mechanismen in Abhängigkeit von Stoffkonzentrationen in der Umgebung des Sensors ändern.

Dies kann durch eine Brechzahländerung der Wellenleiter- Schicht durch Aufnahme von Stoffen aus der Umgebung erfolgen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, aufgrund einer Dickenänderung der Schicht in Abhängigkeit von einer Stoffkonzentration (Quellung der Schicht) auftretende Änderungen zu erfassen.

Für die beiden vorerwähnten Fälle bildet die Wellenleiter- Schicht eine sensitive Schicht oder einen Film. Schließlich besteht auch noch die Möglichkeit einer Messung bei Anlagerung von Substanzen auf der zugänglichen Oberfläche der Wellenleiter-Schicht. Dabei kann eine selektive Anlagerung z. B. aufgrund von Antikörper-Antigen Reaktionen auf der Oberfläche zu einer Stofferkennung herangezogen werden. Dazu werden z. B. die Antikörper, an die sich die zu detektierende Substanz (Antigen) spezifisch anlagert, auf der Oberfläche der Beschichtung immobilisiert. Wird diese Anordnung mit dem Analyten in Kontakt gebracht, lagern sich die Antigene auf der Oberfläche an. Dieses führt, ähnlich der Dickenänderung der Wellenleiter-Schicht, zu einer Verschiebung der effektiven Brechzahl.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Wellenleiter-Schicht und die Zwischenschicht zwischenschichtseitig mit einem planparallelen Substrat verbunden sind, das flächig an das Prisma andrückbar ist und daß das Substrat und das Prisma vorzugsweise im wesentliche gleiche Brechzahlen aufweisen.

Durch diesen Aufbau kann das Prisma fest bei einer Auswerteeinrichtung montiert bleiben und das Substrat mit dem darauf befindlichen, beschichteten, Wellenleiter-Schichten Film bilden eine auswechselbare Einheit. Es können so Meßschichtanordnungen mit unterschiedlicher Wellenleiter- Schicht mit einer einzigen Auswerteeinrichtung verwendet werden. Da das Prisma unverändert der Auswerteeinrichtung zugeordnet bleibt, erübrigen sich auch aufwendige Justierarbeiten.

Durch die gleichen Brechzahlen des Substrates und des Prismas werden Überlagerungen der einstrahlwinkelabhängigen Intensi­ tätskurve vermieden.

Zweckmäßigerweise ist zwischen dem Prisma und dem die Zwischenschicht und die Wellenleiter-Schicht tragenden Substrat eine Immersionsflüssigkeit vorgesehen. Diese sorgt dafür, daß im Übergangsbereich zwischen Prisma und Substrat keine Brechung auftritt.

Zweckmäßigerweise weist die Wellenleiter-Schicht eine zum Ein- und Auskoppeln des Lichtstrahles genügende optische Transparenz auf und besteht vorzugsweise aus einem Material mit einer großen chemischen und thermischen Resistenz.

Die optische Transparenz der Wellenleiter-Schicht ist hier nur in dem Maße erforderlich, wie es zum Ein- und Auskoppeln des Lichtstrahles erforderlich ist. Damit ist der Anwendungsbereich wesentlich erweitert, da auch Stoffe für die Wellenleiter-Schicht verwendet werden können, die beispielsweise durch Streuung oder optische Absorption das geführte Licht sehr stark schwächen. Das eingekoppelte Licht wird innerhalb des Wellenleiters nicht über eine größere Strecke geführt, sondern nur ein- und ausgekoppelt. Der weitergeführte, eingekoppelte Lichtteil wird nicht ausgewer­ tet, so daß die Leitung des Lichtes innerhalb des Wellenleiters praktisch ohne Bedeutung ist. Eine große chemische und thermische Resistenz erweitert ebenfalls den Anwendungsbereich des Sensors erheblich.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Sensor mit einer Temperiereinrichtung versehen ist und daß die Temperiereinrichtung vorzugsweise wenigstens ein, insbesondere mit dem Substrat verbundenes Peltierelement aufweist. Durch eine solche Temperiereinrichtung wird verhindert, daß sich die hohe Temperaturempfindlichkeit des optischen Sensors nachteilig auswirken kann. Insbesondere können dadurch alle Moden verwendet werden, ohne Berücksichtigung von deren sehr unterschiedlichem Temperaturgang.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Einfallswinkel des einem Mode anregenden Lichtstrahles so einstellbar ist, daß die angeregte Mode bezüglich des sich mit der Temperatur entgegengesetzt zu der Schichtdicke ändernden Brechungsindex der Wellenleiter-Schicht zumindest weitgehend temperaturkompensiert ist.

Es wird hierbei ausgenützt, daß innerhalb des Modenspektrums eine bestimmte Mode temperaturstabil ist, da sich die bei Temperaturänderungen auftretende Änderung des Brechungsindex und die der Dichte beziehungsweise der Längenausdehnungen gegenseitig kompensieren. Beispielsweise nimmt bei Polymeren der Brechungsindex mit der Temperatur ab, während die Längenausdehnung positiv ist. Mit einem abnehmenden Brechungsindex erfahren niedrige Moden eine Verschiebung zu steileren Einfallswinkeln (geringere effektive Brechungsindizes). Gleichzeitig sind sie über die thermischen Schichtdickenausdehnungen weit weniger zu beeinflussen. Umgekehrt werden höhere Moden (kleinere effektive Bre­ chungsindizes) mit zunehmender Schichtdicke zu höheren Einfallswinkeln (größere effektive Brechungsindizes) verschoben. Dieser Effekt dominiert über die gleichzeitige Brechungsindexabnahme. Über die temperaturinduzierte Änderungen des Brechungsindex und der Schichtdicke wirken somit entgegengesetzt auf die Modenverschiebung ein.

Die Bestimmung der jeweils "temperaturkompensierten" Mode kann experimentell oder durch Messung erfolgen. Zur Berechnung ist es erforderlich, die Schichtdicke der Wellenleiter-Schicht, dessen Material, die verwendete Lichtwellenlänge und Lichtpolarisation zu kennen.

Zur experimentellen Bestimmung der "passenden" Mode kann die vorerwähnte Temperiereinrichtung verwendet werden, indem damit die Temperatur geändert und dabei beobachtet wird, welche Mode dabei lagestabil bleibt.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß sich auf der Kontaktfläche der Wellenleiter-Schicht eine Filterschicht als selektive Diffusionsbarriere befindet. Dies ermöglicht eine Vorselektion der zu untersuchenden Stoffkomponente.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, mehrere aufeinandergeschichtete, in ihren physikalischen Eigenschaften unterschiedliche, Wellenleiter- Schichten vorzusehen. Dadurch können gleichzeitig mehrere Stoffkomponenten untersucht werden.

Zweckmäßigerweise sind bei mehreren Wellenleiter-Schichten mehrere, unter verschiedenen Einfallswinkeln eingestrahlte Lichtstrahlen vorgesehen, deren Einfallswinkel jeweils unter Berücksichtigung der in den einzelnen Schichten auftretenden Brechungswinkel so ausgerichtet sind, daß in der zugehörigen, zu untersuchenden, Wellenleiter-Schicht Totalreflexion auf­ tritt.

Bei mehreren geschichteten Wellenleiter-Schichten und gegebenenfalls dazwischen vorgesehenen Filterschichten sind diese Schichten so ausgebildet, daß die zu untersuchende Stoffkomponenten hindurchdiffundieren können.

Die Einfallswinkel der eingestrahlten Lichtstrahlen sind so vorgesehen, daß sie bei entsprechenden Brechungsindexverhältnissen an den unterschiedlichen Grenzflächen gebrochen und in der zu messenden, Wellenleiter- Schicht totalreflektiert werden. Damit kann den einzelnen Bereichen des Reflexionsspektrums die Brechungsindexänderung der Wellenleiter-Einzelschicht zugeordnet werden.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 Eine schematisierte Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Sensors,

Fig. 2 das Grundprinzip des erfindungsgemäßen, optischen Sensors in einer vereinfachten Ausführungsform,

Fig. 3 eine Anordnung für einen optischen Sensor mit einem Prisma und einem beschichteten Substrat und

Fig. 4 eine Schichtanordnung mit mehreren Wellenleiter- Schichten und mehreren Filterschichten.

Ein in Fig. 1 gezeigter optischer Sensor 1 dient zu selektiven Bestimmung einer Stoffkomponente innerhalb eines flüssigen oder gasförmigen Mediums. Der Sensor 1 weist im wesentlichen ein planparalleles Substrat 2 auf, dessen eine Seite 3 an einer Seite eines Prismas 4 anliegt. Die andere Seite 5 des Substrates 2 ist mit einer teiltransparenten Zwischenschicht 6 beschichtet, auf der sich andererseits eine zum Beispiel einen sensitiven Film bildende Wellenleiter- Schicht 7 befindet.

Zur Verdeutlichung ist die Anordnung mit dem Prisma 4 und dem beschichteten Substrat 2 separat in Fig. 3 dargestellt. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang, daß es sich hier nur um eine schematische Darstellung handelt, die nicht die wahren Größen- und insbesondere Dickenverhältnisse der einzelnen Teile beziehungsweise Schichten wiedergibt. Das Substrat 2 kann beispielsweise eine Dicke im Millimeterbereich - beispielsweise 0,5 bis 3 mm - haben, während die teiltransparente Zwischenschicht 6, die eine Teilverspiegelung bildet, eine Schichtdicke etwa zwischen 35 nm bis 50 nm aufweist. Die Wellenleiter-Schicht 7 kann eine Schichtdicke etwa zwischen 0,5 Mikrometer bis etwa 5 Mikrometer haben. Zur Verbesserung der optischen Kontaktierung und zur Vermeidung von unerwünschten Brechungen befindet sich zwischen dem Prisma 4 und dem Substrat 2 eine in Fig. 3 angedeutete Immersionsflüssigkeit 8.

Zum Sensor gehört noch eine Lichtquelle 9 zur Erzeugung eines im wesentlichen monochromatischen Lichtstrahles 10. Ein unter einem bestimmten, passenden Winkel in die Wellenleiter-Schicht 7 eingekoppelter Lichtstrahl wird reflektiert und über das Prisma 4 einer Meßeinrichtung 11 zur Auswertung der Reflexion zugeführt. Ist der zugeführte Einkoppel-Lichtstrahl 10 Teil eines divergierendes Lichtstrahlenbündel 10a, so weist der reflektierende Auskoppellichtstrahl 12 eine dunkle Linie 13 auf, deren Lage bei der Meßeinrichtung 11 ausgewertet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Sensors 1 ist der einen Wellenleiter bildende Film 7 auf seiner dem Prisma 4 abgewandten Seite im Bereich der Licht-Einkoppelstelle frei zugänglich und bildet hier eine Kontaktfläche 14 für den zu untersuchenden Stoff. Dieser beeinflußt die refraktiven Eigenschaften der Wellenleiter-Schicht 7, so daß sich dementsprechend Änderungen im Auskoppellichtstrahl 12 ergeben, die von der Meßeinrichtung 11 ausgewertet werden können.

Beispielsweise könnte zum Zuführen und Abführen des zu untersuchenden Stoffes eine Flußzelle 15 oder dergleichen vorgesehen sein.

In Fig. 1 ist noch als Halterung und zur Temperierung des be­ schichteten Substrates 2 eine mit einer Temperiereinrichtung 16 verbundene Metallplatte 17 vorzugsweise aus Kupfer oder dergleichen gut wärmeleitendem Material dargestellt. Beispielsweise könnte die Temperiereinrichtung ein oder mehrere Peltierelemente 18 aufweisen.

Fig. 2 zeigt in einer vereinfachten Ausführungsform gut das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Sensors 1. In dieser vereinfachten Form bildet das Einkoppel-Prisma 4 auch gleichzeitig den Träger beziehungsweise das Substrat für die Wellenleiter-Schicht 7 und die teiltransparente Zwischenschicht 6. Die Zwischenschicht 6 ist hierbei direkt auf die Unterseite des Prismas 4 aufgedampft. Dieses Aufbringen der Zwischenschicht 6 auf die Prismenunterseite beziehungsweise die Substrat-Seite 5 erfolgt üblicherweise unter Hochvakuum mit einem teiltransparenten Metallfilm. Als Aufdampfmaterial eignet sich beispielsweise Silber und wegen der guten Langzeitstabilität und chemischen Beständigkeit vor allen Dingen auch Gold. Wie bereits erwähnt, beträgt die Me­ tallschichtdicke etwa zwischen 35 nm und 50 nm.

Anschließend wird auf die Metallbeschichtung die Wellenleiter­ schicht 7 aufgebracht. Die Wellenleiter-Schicht kann beispielsweise ein Polymerfilm sein, der zum Beispiel mit einem Zentrifugenverfahren, insbesondere nach der Spin- Coating-Methode erzeugt wird. Diese Schichten haben sich als besonders homogen bezüglich ihrer Filmparameter erwiesen. Die Schichtdicke der Wellenleiter-Schicht 7 kann 0,5 bis 5 Mikrometer betragen.

Wird nun ein Lichtstrahl 10 innerhalb eines divergenten Lichtstrahlenbündels 10a unter einem passenden Einkoppelwinkel über das Prisma 4 in die Wellenleiter-Schicht 7 eingekoppelt, wird ein Teil des Lichtes durch diesen Wellenleiter abgeleitet. Im Reflexionsbereich ergibt sich dann, wie bereits vorerwähnt, innerhalb des Auskoppellichtstrahles 12 bezie­ hungsweise Reflexionsspektrums eine dunkle Linie 13. Wurde ein divergenter Lichtstrahl 10 als Einkoppellichtstrahl verwendet, kann die Lageänderung der dunklen Linie 13 ausgewertet werden, die sich bei Änderungen der z. B. refraktiven Eigenschaften der Wellenleiter-Schicht, insbesondere bei Änderungen der effektiven Brechzahl lageverändert. Die Meßeinrichtung 11 kann in diesem Falle beispielsweise eine sogenannte CCD-Zeile sein, mit der ein größerer Reflexionswinkelbereich erfaßt werden kann.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß eine Parallellichteinstrahlung mit selektiver Anregung einer einzelnen Mode vorgesehen ist. Diese wird unter konstant gehaltenen Winkelbedingungen angeregt und detektiert. Zweckmäßigerweise wird bei einem parallelen Lichtstrahl 10 der Einfallswinkel entweder auf das Minimum oder die Flanke einer Modenresonanz fest eingestellt. Jede Änderung des Brechungsindex schiebt dann die Modenresonanz aus dem Anregungswinkel heraus bis bei genügend großen Änderungen die Reflektivität maximal ist. Da nur ein fester Winkel auszulesen ist, kann hier anstatt einer CCD-Zeile oder dergleichen eine Fotodiode oder dergleichen als Detektor eingesetzt werden. In diesem Modus mit parallelem Lichtstrahl 10 kann der Sensor je nach Linienschärfe der Modenresonanz sehr empfindlich kleine Änderungen erfassen.

Durch die Teilverspiegelung mittels der Zwischenschicht 6 aus einer schwach absorbierenden Metallfilm-Schicht wird eine Linienschärfe und Tiefe erreicht, die eine außergewöhnliche Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der refraktiven Eigenschaften sowie einen extremen Intensitätskontrast ergibt. Über die Dicke der teildurchlässigen Zwischenschicht 6 läßt sich analog zur optischen Güte eines Fabry-Perot die Tiefe und Breite der Reflexionsminima einstellen. Des weiteren ändert sich die Breite mit zunehmendem Modenindex. Bezüglich der optischen Sensorik bedeutet dieses eine Anpassung der Empfindlichkeit der Anordnung an die Größe der zu messenden Änderungen.

Um unterschiedliche Wellenleiter-Schichten 7 austauschbar einsetzen zu können, ist die in Fig. 1 und 3 gezeigte Anordnung vorgesehen. Die Filmbeschichtungen befinden sich hier nicht direkt auf dem Koppel-Prisma 4, sondern auf dem planparallelen Substrat 2. Dieses ist flächig an das Prisma andrückbar und weist auch die gleiche Brechzahl wie das Prisma selbst auf. Um Brechungen im Übergangsbereich zu vermeiden, ist die bereits vorerwähnte Immersionsflüssigkeit 8 vorgesehen. Diese Anordnung hat den wesentlichen Vorteil, daß das Prisma 4 der Vorrichtung mit der Lichtführung zugeordnet bleiben kann, während die auf dem abnehmbaren Substrat 2 befindliche, Wellenleiter-Schicht 7 davon unabhängig austauschbar ist. Dadurch ist der Aufwand reduziert und die praktische Anwendung wesentlich erleichtert.

Zum lösbaren Verbinden des Prismas 4 einerseits und dem be­ schichteten Substrat andererseits kann eine in den Figuren nicht gezeigte Halterung vorgesehen sein.

In Fig. 1 ist noch zwischen der zum Beispiel durch eine Laserdiode gebildeten Lichtquelle 9 und der Austrittsstelle des Lichtstrahles 10 eine Lichtführung mit Hilfe einer polarisationserhaltenden Faser 19 vorgesehen.

Die Wellenleiter- Schicht 7 soll eine möglichst große chemische und thermische Resistenz bei gleichzeitig genügender optischer Transparenz aufweisen. Gleichzeitig soll die Absorption der Testsubstanzen die Schichtdicken nicht beeinflussen. Als Material für die Wellenleiter- Schicht haben sich insbesondere Polyimide als geeignet gezeigt. Diese weisen eine starke Absorption polarer Substanzen auf, die die refraktiven Eigenschaften konzentrationsabhängig reversibel ändern. Die Absorptionsprozesse sind über die Diffusion gesteuert und für die betrachteten Schichtdicken vergleichsweise schnell.

Mit Blick auf apolare Medien kann ein modifiziertes Poly­ tetrafluorethylen verwendet werden. Besonders geeignet ist dabei PTFE der Firma Dupont mit der Handelsbezeichnung Teflon AF. Bei diesem Werkstoff wird durch sehr geringe Dipolmomente der Kettenbaustein eine starke Aufnahme polarer Bestandteile verhindert. Daraus resultiert ein stark hydrophober Charakter des PTFE. PTFE besitzt einen sehr geringen Brechungsindex von etwa 1,3, so daß die Absorption der meisten Moleküle zu einer Brechungsindexerhöhung führt. Während schwach polare Substanzen in die Schicht eindringen können, werden Materialien mit hohem Dipolmoment abgeblockt. Die Absorption und Desorption in der (sensitiven) Wellenleiter-Schicht ist durch einen Diffusionsprozeß und durch die Löslichkeit der Stoffe in dem Polymer kontrolliert. Aufgrund der schwachen attraktiven Matrixwechselwirkung werden bei Konzentrations­ änderungen vergleichsweise schnelle An- und Abklingzeiten ermittelt, die von einigen Zehntelsekunden bis zu einer Minute reichen. Die Absorption von Dämpfen ist bei dem vorerwähnten Werkstoff von einem vernachlässigbarem Quell- oder Schrumpfverhalten begleitet.

In Verbindung mit Fig. 1 wurde bereits eine Temperiereinrich­ tung 16 beschrieben, um Temperatureinflüsse bei der Messung zu vermeiden.

Während niedrige und hohe Moden eine vergleichsweise große Temperaturempfindlichkeit aufweisen, läßt sich eine Mode im Modenspektrum ermitteln, die praktisch frei von einer thermischen Drift ist. Wird diese Mode verwendet, so ist der optische Sensor auch ohne Temperiereinrichtung und somit bei sich ändernden Temperaturen temperaturstabil. Die temperaturstabile Mode kann rechnerisch oder experimentell ermittelt werden. Beim experimentellen Ermitteln der temperaturstabilen Mode kann die Temperiereinrichtung 16 verwendet werden, um den "Sensorkopf" aufzuheizen oder abzukühlen und so jeweils den Temperaturgang der einzelnen Moden zu ermitteln. Ändert sich die Lage beziehungsweise Intensität der dunklen Linie 13 bei einer bestimmten Mode trotz Temperaturänderung nicht, so ist die temperaturstabile Mode gefunden.

Fig. 4 zeigt noch eine mehrschichtige Anordnung, bei der sich auf einer Anordnung etwa vergleichbar mit der aus Fig. 2, auf der Wellenleiter-Schicht 7 noch weitere Schichten befinden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies nacheinander, ausgehend von dem Schicht 7, eine auf diesem befindliche Barriereschicht 20, eine weitere Wellenleiter-Schicht 7a und auf dieser eine weitere Barriereschicht 20a.

Mit einem solchen mehrschichtigen System aus Wellenleiter­ schichten 7, 7a und dazwischenliegenden Barriereschichten 20, 20a läßt sich insbesondere die Querempfindlichkeit des Sensors senken. Die selektiven Diffusionsbarrieren wirken dabei als Filter zwischen den einzelnen sensoraktiven Schichten. Für ein derartiges Schichtsystem ergibt sich ein kompliziertes Leckwellenspektrum. Je nach Einfallswinkel erfährt ein Lichtstrahl 10b, 10c eine Totalreflexion an unterschiedlichen Grenzflächen. Der jeweilige Lichtstrahl "tastet" also abhängig vom Einfallswinkel die Einzelschichten des Stapels optisch ab. Beispielsweise kann bei Verwendung von Wellenleiter-Schichten aus einem Polyimid und dazwischen befindlicher Barriereschicht eine Auswertung eines Wasser/Alkohol-Gemisches erfolgen. Die dem Gemisch ausgesetzte Kontaktfläche 14 der einen Wellenleiter-Schicht reagiert auf Wasser und Alkohol. Die Barriereschicht blockt Wasser ab, so daß die nächste Wellenleiter-Schicht nur noch ein Alkoholsignal zeigt. Außer der in Fig. 4 gezeigten Schichtanordnung können auch beliebige andere Kombinationen aus Barriereschichten und z. B. sensitiven Wellenleiter-Schichten vorgesehen sein. Beispielsweise könnte sich auf einer einzigen Wellenleiter- Schicht 7 (Fig. 2) noch eine Barriereschicht 20 befinden, um die Selektivität bei der Messung zu erhöhen.

Bei Einsatz von Wellenleiter-Schichten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften lassen sich unterschiedliche Stoffkomponenten eines zum Beispiel flüssigen oder auch gasförmigen Mediums erfassen.

Claims (18)

1. Optischer Sensor zur Bestimmung einer Stoffkomponente in­ nerhalb eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, mit einer integriert optischen Anordnung, die einen dielektrischen Wellenleiter aufweist, wobei eine durch Einstrahlung von Licht in den Wellenleiter anregbare Mode sowie eine Meßeinrichtung zur Erfassung der Reflexion vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter eine unter Umwelteinflüssen den effektiven Brechungsindex der in ihm geführten Mode ändernde Schicht (7) ist, die sich auf einer Fläche eines Prismas (4) zum Einkoppeln des Lichtstrahles (10) befindet und mit seiner dem Prisma abgewandten Seite eine Kontaktfläche (14) für den zu untersuchenden Stoff bildet, und daß zwischen der der Wellenleiter-Schicht (7) zugewandten Prismenfläche und der Wellenleiter-Schicht (7) eine teiltransparente Zwischenschicht (6) vorgesehen ist.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Schicht (7) und die Zwischenschicht (6) zwischenschichtseitig mit einem planparallelen Substrat (2) verbunden sind, das flächig an das Prisma (4) andrückbar ist, und daß das Substrat und das Prisma vorzugsweise im wesentlichen gleiche Brechzahlen aufweisen.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Prisma (4) und dem die Zwischenschicht (6) und die Wellenleiter-Schicht (7) tragenden Substrat (2) eine Immersionsflüssigkeit (8) vorgesehen ist.

4. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halterung zum lösbaren Verbinden des Prismas (4) mit dem beschichteten Substrat (2) und dergleichen vorgesehen ist.

5. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die teiltransparente Zwischenschicht (6) eine Metallschicht vorzugsweise aus Silber oder Gold mit einer Schichtdicke etwa zwischen 35 nm bis 50 nm ist.

6. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Schicht (7) eine zum Ein-und Auskoppeln des Lichtstrahles (10) genügende optische Transparenz aufweist und vorzugsweise aus einem Material mit einer großen chemischen und thermischen Resi­ stenz besteht.

7. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Schicht (7) aus einem Polymer, insbesondere einem Polyimid besteht.

8. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Schicht (7) aus modifiziertem Polytetrafluoretylen besteht.

9. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Wellenleiter-Schicht (7) etwa zwischen 0,5 µm bis etwa 5 µm beträgt.

10. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Temperiereinrichtung (16) versehen ist, und daß die Temperiereinrichtung vorzugsweise wenigstens ein, insbesondere mit dem Substrat (2) verbundenes Peltierelement (18) aufweist.

11. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das beschichtete Substrat (2) mit einer gut wärmeleitenden Platte (17), vorzugsweise einer Kupferplatte, verbunden ist, und daß filmseitig ein Zutrittsbereich für den zu untersuchenden Stoff, gegebenenfalls eine im Zutrittsbereich angeordnete Fluß­ zelle (15) vorgesehen ist.

12. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (9) mit einem divergierenden, im wesentlichen monochromatischen Einkoppel-Lichtstrahlenbündel oder ein divergenter Lichtkegel vorgesehen ist und daß die Meßeinrichtung (11) zur Erfassung der Reflexion vorzugsweise eine CCD-Zeile als Detektor aufweist.

13. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (9) mit einem im wesentlichen monochromatischen, parallelen, in seinem Einfallwinkel einstellbaren Lichtstrahlenbündel vorgesehen ist und daß die Meßeinrichtung (11) zur Erfassung der Reflexion vorzugsweise eine Photodiode als Detektor aufweist.

14. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel des eine Mode anregenden Lichtstrahles so einstellbar ist, daß die angeregte Mode bezüglich des sich mit der Temperatur entgegengesetzt zu der Schichtdicke ändernden Brechungsindex der Wellenleiter-Schicht zumindest weitgehend temperaturkompensiert ist.

15. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Kontaktfläche (14) der Wellenleiter-Schicht (7, 7a) eine Filterschicht (20) als selektive Diffusionsbarriere befindet.

16. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere aufeinander­ geschichtete, in ihren physikalischen Eigenschaften unterschiedliche Wellenleiter-Schichten (7, 7a) vorgesehen sind.

17. Optischer Sensor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Wellenleiter- Schichten (7, 7a) eine Filterschicht (20, 20a) vorgesehen ist.

18. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren, unterschiedlichen Wellenleiter-Schichten (7, 7a) mehrere, unter verschiedenen Einfallswinkeln eingestrahlte Lichtstrahlen (10b, 10c) vorgesehen sind, deren Einfallswinkel jeweils unter Berücksichtigung der in den einzelnen Schichten auftretenden Brechungswinkel so ausgerichtet sind, daß in der zugehörigen, zu untersuchenden Wellenleiter-Schicht Totalreflexion auftritt.