DE69321191T2

DE69321191T2 - Optischer Sensor zur Detektion von chemischen Spezien

Info

Publication number: DE69321191T2
Application number: DE69321191T
Authority: DE
Inventors: Yuan Dr. 303 Toa Kawagoe Mansion Saitama Liu; Kenji Kawagoe-Shi Saitama Motosugi; Shizuo Saitama Ogura; Werner Dr. D-55128 Mainz Prass; Thomas Dr. D-65719 Hofheim/Taunus Stehlin; Akihiko Dr. Kawagoe-Shi Saitama Tokida; Tetsu Kawagoe-Shi Saitama Yamamoto
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Osp inc Sayama Saitama Jp
Priority date: 1992-11-17
Filing date: 1993-11-11
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2013-11-12
Also published as: EP0598341A1; EP0598341B1; US5563707A; DE69321191D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor für die Detektion chemischer Spezies. Sie betrifft insbesondere einen optischen Sensor, der auf Basis der durch Interferenz gesteigerten Reflexion (nachstehend kurz "IER" genannt) arbeitet, um unter Einsatz von Licht, das von einer als Sensorelement dienenden organischen oder hochpolymeren Dünnschicht reflektiert wird, chemische Spezies nachzuweisen. Die Dünnschicht reagiert entweder mit den gasförmigen oder flüssigen chemischen Spezies oder adsorbiert diese Spezies.
Es sind verschiedene Ausführungen optischer Sensoren bekannt, die auf Basis der Lichtreflexion arbeiten. Eines der jüngsten Beispiele ist der Vorschlag von Gauglitz et al. die über ein Reflexionsspektroskopieverfahren für die Detektion von Gasen oder Lösemitteln unter Nutzung des Anschwellens polymerer Schichten berichteten (GIT Fachz. Lab., 7, 889, 1990). Bei diesem Verfahren werden eine Weißlichtquelle und ein Spektrometer für die Analyse des spektralen Reflexionsvermögens eingesetzt; die Durchführung dieses Verfahrens erfordert daher eine umfangreiche Ausrüstung und darüber hinaus den Einsatz eines optischen Filters und anderer peripherer Komponenten.
In der europäischen Patentveröffentlichung Nr. 0 282 009 A2 wird ein Lichtleiterdetektor beschrieben, der durch die Wechselwirkung mit Kohlenwasserstoffen verursachte Veränderungen des Reflexionsvermögens nutzt. Das Arbeitsprinzip des in der Veröffentlichung beschriebenen Detektors besteht darin, daß sich der Brechungsindex der Umhüllung in Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen verändert und damit Veränderungen der optischen Verluste bewirkt.
Von Nylander et al wurde ein Gassensor beschrieben, der auf Basis der Oberflächenplasmonresonanz arbeitet (Sensors and Actuators, 3, 79-88, 1982). Die Bedingungen für die Resonanz des im Sensor auftretenden Oberflächenplasmons hängen weitgehend von den optischen Parametern der im Sensor verwendeten Polymerschicht ab, die sich ihrerseits verändert, wenn sie den Dämpfen organischer Substanzen ausgesetzt ist.
In der US-Patentanmeldung Nr. 259,556 (18. Oktober 1988) wird ein Lichtleitersensor für chemische Spezies beschrieben, der eine an einem Ende des Lichtleiters gebildete dünne Metallschicht aufweist. Dieser Sensor arbeitet nach folgendem Prinzip: Wenn die dünne Metallschicht in Kontakt mit einer chemischen Spezies gebracht wird, verändert sich die Dicke der Schicht, und damit verändern sich ihre Reflexionseigenschaften.
Von Butler wurde ein Interferenzsensor mit einer an einem Ende eines Mehrmodenlichtleiters gebildeten Polymerschicht beschrieben. Das Arbeitsprinzip dieses Sensors besteht darin, daß die Polymerschicht, wenn sie in Kontakt mit einer chemischen Spezies gebracht wird, anschwillt und es dadurch zu einer Veränderung der Reflexionseigenschaft des Lichtleiters mit der daran gebildeten Polymerschicht kommt. Ein Problem bei diesem Sensor liegt darin, daß es nicht einfach ist, eine dünne Polymerschicht an einem Ende des Lichtleiters zu bilden.
In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 77651/1992 wird ein Lichtleitersensor für chemische Spezies beschrieben, bei dem eine Sensormembran eingesetzt wird, die sowohl einen Farbstoff als auch eine empfindlich auf chemische Spezies reagierende Verbindung enthält. Das Arbeitsprinzip dieses Sensors besteht darin, daß die Sensormembran eine Veränderung des Lichtreflexionsvermögens oder der Farbe erfährt, wenn sich die empfindlich auf chemische Spezies reagierende Verbindung mit den nachzuweisenden chemischen Spezies verbindet.
Alle vorstehend beschriebenen Lichtleitersensoren haben ein gemeinsames Problem, d. h. die zu beobachtende Veränderung des Reflexionsvermögens ist so gering, daß sich keine zufriedenstellende Empfindlichkeit erzielen läßt, so daß diese Sensoren nur über einen begrenzten dynamischen Bereich verfügen.
In den japanischen Offenlegungsschriften Nr. 190412/1992, 133900/1993 und 142152/1994 wird ein chemischer Sensor für Ammoniak und Amin mit einer leitfähigen dünnen Polymerschicht auf einem transparenten leitfähigen Substrat beschrieben. Das Reflexionsvermögen der Dünnschicht verändert sich, wenn sie mit einer nachzuweisenden chemischen Substanz in Kontakt kommt. Der Sensor arbeitet jedoch auf Basis einer einfachen Reflexionsmessung, bei der die Methoden der optischen Interferenz nicht zur Anwendung kommen. Die vorliegende Erfindung nutzt das IER-Verfahren, das speziell auf Basis der von einer dünnen Struktur bewirkten optischen Interferenz arbeitet.
Im US-Patent Nr. 4,641,524 wird ein optischer Feuchtigkeitssensor beschrieben, der mit einem Spiegel mit einer Schicht aus einem porösen wasserabsorbierenden dielektrischen Material ausgestattet ist. Im US-Patent Nr. 4,525,376 wird ein Dickenregulator beschrieben, der auf Basis der von der Wellenlänge abhängigen Reflexion arbeitet, um eine auf einem Substrat gebildete Siliziumschicht zu überwachen.
In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 19142/1992 wird ein Ammoniaksensor beschrieben, der eine Veränderung des Lichtreflexionsvermögens an der Oberfläche einer polymerisierten Schicht mit einem elektrisch leitfähigen Polymeren nutzt. Dieser Sensor verfügt jedoch über keine schnelle Reaktion, und deshalb besteht Bedarf an einem Sensor mit einer schnelleren Reaktion.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sensor bereitzustellen, der eine höhere Empfindlichkeit und Selektivität bietet, eine schnelle Reaktion aufweist und klein genug ist, um problemlos gebaut werden zu können.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein optischer Sensor für die Detektion gasförmiger oder flüssiger chemischer Spezies bereitgestellt, der ein Sensorelement mit einer Dünnschicht sowie eine Meßvorrichtung auf Basis des IER-Verfahrens umfaßt.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem einen optischen Sensor bereit, bei dem eine dünne organische oder anorganische Schicht oder eine dünne hochpolymere Schicht als Dünnschicht im Sensorelement zum Einsatz kommt.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen optischen Sensor bereit, mit dem eine einzelne oder mehrere chemische Spezies getrennt voneinander nachgewiesen werden können, indem die Veränderung der relativen Intensität des reflektierten Lichts oder der Reaktion auf Basis des Anschwellens der Dünnschicht oder der Veränderungen ihrer optischen Parameter gemessen wird.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem einen optischen Sensor bereit, der eine Reihe von Sensorelementen enthält, die aus ähnlichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, um die gleichzeitige Detektion verschiedener chemischer Spezies zu ermöglichen, die Präzision der Identifizierung zu erhöhen und den Hintergrundeffekt zu korrigieren.
Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus einen optischen Sensor bereit, der nicht nur eine schnelle Reaktion, sondern durch Auswahl geeigneter Substratmaterialien, durch optimale Werte für die Dicke der Dünnschicht im Sensorelement und aufgrund des Lichteinfallwinkels auch eine hohe Empfindlichkeit und einen breiten dynamischen Bereich ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen optischen Sensor als Bestandteil eines Detektionssystems bereit, wobei der Sensor eine Lichtquelle, einen Polarisator, optische Pfade für Referenzlicht und Signallicht, Photodetektoren sowie elektronische Schaltkreise umfaßt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist ein Diagramm, das die allgemeine Anordnung der IER-Ausrüstung darstellt;
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen dem Reflexionsvermögen und der Dicke einer Dünnschicht sowohl für die S- als auch für die P- Polarisation zeigt;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen dem Reflexionsvermögen von S-polarisiertem Licht, der Veränderung des Reflexionsvermögens und der Dicke einer Dünnschicht zeigt;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen dem Reflexionsvermögen und der Dicke einer Dünnschicht bei unterschiedlichen Einfallwinkeln zeigt;
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Empfindlichkeiten gegenüber verschiedenen chemischen Spezies zeigt, wie sie mittels einer Dünnschicht aus Poly(λaurylmethacrylat) nachgewiesen wurden;
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Empfindlichkeiten gegenüber Motorenbenzin und Dieselkraftstoff zeigt, wie sie mittels einer Dünnschicht aus Poly(methylmethacrylat/butylmethacrylat) nachgewiesen wurden;
Fig. 7 zeigt die Ausrüstung bei Einsatz eines Photoreflektors; und
Fig. 8 zeigt die Empfindlichkeiten gegenüber Motorenbenzin- und Dieselkraftstoffdämpfen bei Verwendung einer Dünnschicht aus Poly(benzylmethacrylat/2-ethylhexylmethacrylat).
Das Sensorelement, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, kann ein flaches reflektierendes Substrat und eine oder mehrere transparente organische oder polymere Dünnschichten umfassen, die auf diesem Substrat gebildet werden. Die Dünnschicht ist so beschaffen, daß sie entweder mit einer bestimmten chemischen Spezies reagiert oder diese absorbiert oder adsorbiert. Alternativ kann die Dünnschicht mit mehr als einer zu einer bestimmten Kategorie gehörenden chemischen Spezies reagieren oder diese absorbieren oder adsorbieren. Das die Dünnschicht tragende Substrat ist vorzugsweise flach genug, um einfallendes Licht zu reflektieren. Zu den Materialien, die zur Substratherstellung verwendet werden können, zählen beispielsweise stark reflektierende Materialien wie Metalle oder Halbleiter, beispielsweise Silizium, oder eine reflektierende Schicht auf einem Substrat sowie transparentes Glas. Wenn es sich bei dem Substrat um ein stark reflektierendes Material handelt, werden eine hohe Empfindlichkeit und ein breiterer dynamischer Bereich erzielt.
Gemäß vorliegender Erfindung erfolgt die Detektion gasförmiger oder flüssiger chemischer Spezies durch Messung der Veränderung der Reflexionseigenschaften des Sensorelements auf Basis der physikalischen Veränderung, beispielsweise des Anschwellens der Dünnschicht, oder der Veränderung ihrer Dicke und/oder ihres Brechungsindex. Wie bereits erwähnt, reagiert die Dünnschicht mit einer oder mehreren zu einer bestimmten Kategorie gehörenden chemischen Spezies oder sie geht eine anderweitige Wechselwirkung damit ein. Als Ergebnis einer solchen Wechselwirkung kommt es zu einem Anschwellen oder zu anderen Veränderungen der Dünnschicht, wodurch wiederum Veränderungen der optischen Parameter (d. h. der Dicke und des Brechungsindex) der Dünnschicht bewirkt werden. Da diese verschiedenen Veränderungen entsprechende Veränderungen der optischen Eigenschaften der Dünnschicht hervorrufen, lassen sich gasförmige oder flüssige chemische Spezies durch Messung der Veränderung der Reflexionseigenschaften der Dünnschicht oder des diese Dünnschicht enthaltenden Sensorelements nachweisen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine solche Veränderung der Reflexionseigenschaften der Dünnschicht mit Hilfe des IER-Verfahrens gemessen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Veränderung des Produkts der Dicke und des Brechungsindex der Dünnschicht durch Messung auf Basis des IER-Verfahrens nachgewiesen, wobei diese Veränderung darauf zurückzuführen ist, daß die Dünnschicht mit einer chemischen Spezies reagiert oder diese absorbiert oder adsorbiert.
IER ist ein Verfahren, bei dem die optischen Interferenzeigenschaften der Dünnschicht genutzt werden. Das von der Oberfläche der Dünnschicht reflektierte Licht interferiert mit dem an der Grenzfläche zwischen der Dünnschicht und dem Substrat reflektierten Licht. Die Intensität des reflektierten Lichts ist weitgehend von der Dicke und dem Brechungsindex der Dünnschicht abhängig. Die Veränderung entweder der Dicke der Dünnschicht oder ihres Brechungsindex oder die Veränderungen beider Faktoren zeigen sich somit als Veränderung der Intensität des reflektierten Lichts. Selbst wenn sich mehrere angeschwollene Dünnschichten unterschiedlich verhalten, kann der jeweilige Grad des Anschwellens der entsprechenden Dünnschichten auf Basis der Veränderungen der Intensität des von den Schichten reflektierten Lichts leicht identifiziert werden. Kurz gesagt: Bei den in der Dünnschicht auftretenden und vom IER- Verfahren genutzten physikalischen Veränderungen handelt es sich um die Veränderungen der Dicke und/oder des Brechungsindex der Dünnschicht. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird das IER-Verfahren genutzt, um auf die Gegenwart einer chemischen Spezies zu prüfen und/oder ihre Menge als Funktion der Intensität des reflektierten Lichts nachzuweisen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es weiterhin, mehrere chemische Spezies getrennt voneinander nachzuweisen, indem die Veränderung der Intensität des reflektierten Lichts oder der Reaktionszeit auf Basis des Anschwellens der Dünnschicht oder der Veränderung ihrer optischen Parameter (z. B. ihrer Dicke und ihres Brechungsindex) gemessen wird. Genauer gesagt: Die Wechselwirkung zwischen der Dünnschicht und der nachzuweisenden chemischen Spezies variiert mit der Art der Dünnschicht und der Art der chemischen Spezies, und somit variiert auch die Intensität des als Folge der Wechselwirkung auftretenden reflektierten Lichts mit der jeweiligen Kombination aus Dünnschicht und chemischer Spezies. Gleiches gilt für die Reaktionszeit, die mit dem Grad der Wechselwirkung zwischen der Dünnschicht und der chemischen Spezies variiert. Auf Basis entsprechender Informationen, wie beispielsweise der Veränderung der Intensität des reflektierten Lichts oder der Reaktionszeit, läßt sich somit zwischen mehreren chemischen Spezies unterscheiden. Um im Rahmen der vorliegenden Erfindung mehrere chemische Spezies gleichzeitig nachzuweisen und zu identifizieren, wird bevorzugt eine Reihe von Sensorelementen eingesetzt, die aus ähnlichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.
Der erfindungsgemäße Sensor kann als ein System ausgelegt sein, das nicht nur das vorstehend beschriebene Sensorelement enthält, sondern auch die erforderlichen Teile für den Bau einer IER-Meßvorrichtung umfaßt, wie eine Lichtquelle, einen Polarisator, optische Pfade für Referenzlicht und Signallicht, Photodetektoren und elektronische Schaltkreise. Das Sensorelement empfängt Licht von der Lichtquelle und sendet reflektiertes Licht aus. Die Photodetektoren empfangen das vom Sensorelement reflektierte Licht sowie das durch die optischen Pfade für Referenzlicht und Signallicht laufende Licht und erzeugen elektrische Signale als Funktion der Intensität des Lichts. Der elektronische Schaltkreis prüft auf die Gegenwart einer chemischen Spezies und/oder berechnet ihre Menge, indem er einen Vergleich zwischen dem die Intensität des vom Sensorelement reflektierten Lichts anzeigenden elektrischen Signal IS und dem die Intensität des Referenzlichts anzeigenden elektrischen Signal IR vornimmt. Der elektronische Schaltkreis mit dieser Funktion kann mit einem zusätzlichen Schaltkreis ausgestattet sein, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das im Verhältnis zur Menge der nachzuweisenden chemischen Spezies linear reagiert. Wenn der erfindungsgemäße Sensor eingesetzt werden soll, um die Gegenwart von toxischen, brennbaren oder flammbaren Gasen, Dämpfen oder Lösemitteln nachzuweisen, kann das vom elektronischen Schaltkreis erzeugte Signal benutzt werden, um einen Alarm und/oder eine Ein-Aus-Regelung für verschiedene Schalter oder Rohrleitungen auszulösen. Auf Wunsch können zusätzliche Mittel vorgesehen werden, um die jeweilige Ausrüstung oder das jeweilige Verfahren zu steuern. Bei Einsatz einer optischen Detektionsvorrichtung ist der erfindungsgemäße Sensor auf wirksame Weise explosionsgeschützt und damit für die Detektion von Leckagen explosiver oder flammbarer Substanzen besonders geeignet.
Aus diesen Gründen läßt sich der Sensor nach vorliegender Erfindung in einem breiten Bereich für verschiedene Anwendungsgebiete einsetzen, unter anderem zur Prozeßsteuerung, Qualitätskontrolle, Umweltüberwachung sowie für die Detektion von Gas- oder Flüssigkeitsleckagen.
Der erfindungsgemäße Sensor ist u. a. besonders gut für die selektive Identifizierung von Kraftstoffarten an Tankstellen geeignet, insbesondere zur Unterscheidung zwischen Motorenbenzin und Dieselkraftstoff, die vom Bedienungspersonal häufig verwechselt werden. Da der Sensor nach vorliegender Erfindung explosionsgeschützt ist, läßt er sich selbst in Bereichen, beispielsweise an Tankstellen, wo mit flammbaren oder brennbaren Substanzen umgegangen wird, sicher einsetzen. Die Anwendbarkeit des Sensors konnte innerhalb eines Temperaturbereichs von -40 bis 80ºC, der im allgemeinen für den Zweck einer selektiven Detektion von Motorenbenzin und Dieselkraftstoff für erforderlich angesehen wird, in vollem Umfang nachgewiesen werden. Außerdem ist es möglich, ein Sensorsystem mit mehreren Sensoren nach vorliegender Erfindung zusammenzustellen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Licht, das auf das mit 1 bezeichnete Sensorelement einfallen soll, wird von einer Lichtquelle 2 ausgesendet, bei der es sich um einen Laser oder eine lichtemittierende Diode (LED) handeln kann. Der Laser kann ein Helium-Neon-Laser sein. Das von der Lichtquelle 2 ausgesendete Licht wird von einem Strahlzerleger 3 in zwei Strahlen zerlegt; einer der Strahlen wird einem Polarisator 4 zugeführt, und der andere Strahl läuft durch einen optischen Pfad für Referenzlicht 5 und gelangt zu einem Photodetektor für Referenzlicht 6, wo er in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das durch den Polarisator 4 laufende Licht wird in einer Richtung, die senkrecht zur Einfallebene des Sensorelements 1 verläuft, polarisiert. Das polarisierte einfallende Licht wird nicht nur an der Oberfläche des Sensorelements 1 (d. h. der Oberfläche einer Dünnschicht 7), sondern auch an der Grenzfläche zwischen der Dünnschicht 7 und einem Substrat 8 reflektiert. Das von der Oberfläche der Dünnschicht 7 reflektierte Licht interferiert mit dem an der Grenzfläche reflektierten Licht, und das daraus entstandene Licht gelangt zu einem Photodetektor für Signallicht 9, wo es in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die Photodetektoren, bei denen es sich um Photodioden handeln kann, erzeugen elektrische Signale im Verhältnis zur Intensität des von ihnen empfangenen Lichts. Der Photodetektor 6 für Referenzlicht erzeugt das elektrische Signal IR, und der Photodetektor 9 für Signallicht erzeugt das elektrische Signal IS; diese elektrischen Signale werden an den elektronischen Schaltkreis 10 geleitet, der das Verhältnis zwischen den beiden elektrischen Signalen (IS/IR) als Meßsignal aussendet. Das so entstandene Ausgangssignal wird in einer geeigneten Aufzeichnungsvorrichtung 11 aufgezeichnet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können Laser, Laserdioden (LD), lichtemittierende Dioden (LED) und inkohärente Lichtquellen, beispielsweise Lampen, als Lichtquelle verwendet werden. Es ist außerdem möglich, Kombinationen dieser Lichtquellen, optische Filter und optische Bauteile zur exakten Einstellung und Leitung des Lichts einzusetzen. Weiterhin ist es möglich, Kombinationen dieser Lichtquellen und Lichtleiter zu verwenden. Wenn eine inkohärente Lichtquelle als Lichtquelle eingesetzt wird, sollte sie vorzugsweise mit optischen Filtern kombiniert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein einzelnes Sensorelement oder mehrere Sensorelemente mit einer Lichtquelle mit unterschiedlicher Wellenlänge zu kombinieren, um die Empfindlichkeit und den dynamischen Bereich des Sensors zu verbessern.
Bei einer Lichtquelle und einem Photodetektor, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, kann es sich um eine integrierte Vorrichtung handeln, die sowohl eine Lichtquelle als auch einen Photodetektor zur Detektion des von der genannten Lichtquelle stammenden Lichts umfaßt. Als eine solche integrierte Vorrichtung, die eine Lichtquelle und einen Photodetektor umfaßt, kann im allgemeinen ein integrierter Schaltkreis mit einem Photoreflektor, einem Reflexionsphotosensor, einem Reflexionsphotounterbrecher und einem Lichtreflektor verwendet werden. Alternativ kann als integrierte Vorrichtung eine Photosensoreinheit, bei der eine LED und ein Dioden-Photodetektor/Phototransistor auf derselben Seite angeordnet sind, eingesetzt werden. Mit einer solchen Photosensoreinheit kann die Reflexion von der vor einer lichtemittierenden Diode und einem Photodetektor angeordneten Sensorschicht nachgewiesen werden. Zusätzlich zu den obigen Bauteilen kann die integrierte Vorrichtung weiterhin einen Verstärker zur Verstärkung von Signalen und einen elektronischen Schaltkreis für eine Signalverarbeitungsvorrichtung enthalten. Somit kann der Sensor nach vorliegender Erfindung ein Sensorelement, eine integrierte Vorrichtung mit einer Lichtquelle und einem Photodetektor sowie elektronische Schaltkreise umfassen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Polarisator 4 derjenigen Stelle nachgeschaltet angeordnet werden, an der das einfallende Licht vom Sensorelement 1 reflektiert wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können der Polarisator 4 und der Strahlzerleger 3 durch einen polarisierenden Strahlzerleger ersetzt werden. Der Einsatz eines polarisierenden Strahlzerlegers bietet den Vorteil, daß senkrecht polarisiertes Licht in den optischen Pfad für Signallicht eingeleitet wird, während parallel polarisiertes Licht in den optischen Pfad für Referenzlicht 5 eingeleitet wird.
Die Menge des von der Dünnschicht auf dem Substrat reflektierten Lichts wird nicht nur durch den Einfallwinkel des Lichts und den Grad seiner Polarisierung bestimmt, sondern ebenfalls durch die Dicke der Dünnschicht, ihren Brechungsindex und die Brechungsindizes der Medien oberhalb und unterhalb der Dünnschicht. Das von der Oberfläche der Dünnschicht reflektierte Licht interferiert mit dem an der Grenzfläche zwischen der Dünnschicht und dem Substrat reflektierten Licht. Dieses Phänomen der Lichtinterferenz ist weitgehend von der Dicke und dem Brechungsindex der Dünnschicht abhängig.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, aus der die Ergebnisse der Berechnung des Verhältnisses zwischen der Dicke einer Dünnschicht und dem Reflexionsvermögen für das auf die Schicht einfallende Licht ersichtlich sind. Die im Experiment verwendete Dünnschicht hatte einen Brechungsindex von 1,522 und wurde von einem Siliziumsubstrat getragen. Das einfallende Licht wurde entweder parallel oder senkrecht zur Einfallebene polarisiert, und der Einfallwinkel betrug 70º. Das einfallende Licht hatte eine Wellenlänge von 633 nm. Wie aus Fig. 2 deutlich erkennbar, reagierte senkrecht zur Einfallebene polarisiertes einfallendes Licht wesentlich empfindlicher auf die Schichtdicke als parallel polarisiertes einfallendes Licht. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher senkrecht polarisiertes einfallendes Licht anstelle von parallel polarisiertem einfallendem Licht bevorzugt eingesetzt. Es versteht sich, daß natürlich auch unpolarisiertes Licht als einfallendes Licht verwendet werden kann; allerdings besteht bei Einsatz von unpolarisiertem einfallendem Licht die Tendenz zu einer geringeren Meßempfindlichkeit.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann Licht am Sensorelement oder an den Photodetektoren mit Hilfe geeigneter optischer Bauteile oder Lichtleiter zerlegt, geleitet oder zusammengeführt oder exakt eingestellt werden.
Die Realisierung der vorliegenden Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die Dünnschicht im Sensorelement mit einer chemischen Spezies reagiert oder diese absorbiert oder adsorbiert, so daß es dadurch zu einer Veränderung entweder der Dicke oder des Brechungsindex der Dünnschicht oder zu Veränderungen beider Faktoren kommt. Bei Anwendung des IER- Verfahrens wird/werden eine solche Veränderung oder solche Veränderungen als entsprechende Veränderungen des reflektierten Lichts gemessen, wobei auf die Gegenwart der jeweiligen chemischen Spezies geprüft und/oder ihre Menge nachgewiesen wird. Die zu diesem Zweck im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verwendende Dünnschicht kann aus irgendwelchen organischen und polymeren Materialien bestehen, die verschiedene Wechselwirkungen (z. B. Reaktion, Adsorption und Absorption) mit der nachzuweisenden chemischen Spezies ermöglichen. Zu derartigen Materialien zählen beispielsweise Vinylpolymere mit verschiedenen Seitenkettengruppen sowie Polysiloxane und Polykondensationsprodukte (z. B. Polyester, Polyamide, Polyimide, Polyurethane und Polyharnstoffe).
Unter dem Gesichtspunkt der Empfindlichkeit kann ein Homopolymeres oder ein Copolymeres mit der folgenden Repetiereinheit (1) vorzugsweise verwendet werden:
wobei:
X -H, -F, -Cl, -Br, -CH&sub3;, -CF&sub3;, -CN oder CH&sub2;-CH&sub3; darstellt;
R¹ -R² oder -Z-R² darstellt;
Z -O-, -S-, -NH-, NR²-, -NR²'-, -(C = Y)-, -(C = Y)-Y-, -Y-(C = Y)-, -(SO&sub2;)-, -Y'-(SO&sub2;)-, -(SO&sub2;)-Y'-, -Y'-(SO&sub2;)-Y'-, -NH-(C = O)-, -(C = O)-NH-, -(C = O)-NR²'-, -Y'-(C = Y)-Y'- oder -O-(C = O)-(CH&sub2;)n-(C = O)-O- darstellt;
Y O oder S unabhängig darstellt;
Y' O oder NH unabhängig darstellt;
n eine Ganzzahl von 0 bis 20 darstellt; und
R² und R²' unabhängig eine geradkettige Alkylgruppe, eine verzweigtkettige Alkylgruppe, eine Cycloalkylgruppe, eine ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppe, eine Arylgruppe, einen gesättigten oder ungesättigten Heteroring oder Derivate davon darstellen.
Besonders bevorzugt eingesetzt wird ein Homopolymeres oder Copolymeres mit der obigen Repetiereinheit (I):
wobei:
X H oder CH&sub3; darstellt;
R¹ eine substituierte oder unsubstituierte Arylgruppe oder -Z-R² darstellt;
Z -O-, -(C = O)-O- oder -O-(C = O)- darstellt; und
R² eine geradkettige Alkylgruppe, eine verzweigtkettige Alkylgruppe, eine Cycloalkylgruppe, eine ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppe, eine Arylgruppe, einen gesättigten oder ungesättigten Heteroring oder Substituenten davon darstellt.
Bevorzugter verwendet werden:
Poly(methylmethacrylat); Poly(isodecylmethacrylat); Poly(2-ethylhexylmethacrylat/styrol); Poly(ethylhexylmethacrylat); Poly(methylmethacrylat/2-ethylhexylacrylat); Poly(methylmethacrylat/2-ethylhexylmethacrylat); Poly(cyclohexylacrylat); Poly(dodecylmethacrylat); Poly(vinylpropionat); Poly(benzylmethacrylat/2-ethylhexylmethacrylat); Poly(2-ethylhexylmethacrylat/glycidylmethacrylat); Poly(butylmethacrylat); und Poly(tetrahydrofurfurylmethacrylat).
Neben diesen Polymeren können auch Verbindungen mit niedrigen Molekulargewichten verwenden werden; dazu zählen beispielsweise Phthalocyanide, Porphine, Porphyrine, metallorganische Komplexe, Chelatbildner (z. B. Kronenverbindungen wie Cyclodextrine, Calixarene, Kronenether und Aza-Kronen) und Kryptanden.
Die Dünnschicht des im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Sensorelements kann eine Mehrschichtstruktur aufweisen, wie beisielsweise eine Kombination einer SiO&sub2;- Schicht mit einer organischen oder hochpolymeren Schicht. Die auf der SiO&sub2;-Schicht gebildete organische oder hochpolymere Schicht dient als Detektor für chemische Spezies.
Das die Dünnschicht tragende Substrat kann aus transparentem Glas oder stark reflektierendem Material, beispielsweise einem Halbleiter oder Metall, bestehen. Ein Glassubstrat oder andere Metall- oder Halbleiterschichten tragende Substrate können ebenfalls verwendet werden. Stark reflektierende Materialien werden bevorzugt als Substratmaterialien eingesetzt, weil sie stärker als Glas reflektieren und damit eine höhere Empfindlichkeit und einen breiteren dynamischen Bereich bieten. Andererseits bietet der Einsatz eines transparenten Substrats, beispielsweise eines Glassubstrats, den Vorteil, daß Licht von der dem Substrat zugekehrten Seite auf die Dünnschicht gerichtet werden kann. Als Folge davon kann der optische Pfad des einfallenden Lichts von den nachzuweisenden chemischen Spezies getrennt gehalten werden. Dieser Vorteil erweist sich dann als besonders wirksam, wenn nicht transparente (lichtundurchlässige oder durchscheinende) chemische Spezies nachgewiesen werden sollen.
Anorganische Substanzen, wie beispielsweise Metalloxide und Sulfide, können ebenfalls für die Herstellung des Substrats verwendet werden. Diese anorganischen Substanzen, zu denen beispielsweise SiO&sub2;, TiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3; und ZnS zählen, können in Aerogelform oder in verschiedenen anderen Formen verwendet werden.
Die Dünnschicht des im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Sensorelements kann durch beliebige bekannte Dünnschichtverfahren gebildet werden, z. B. durch Spin Coating, Gießen von Lösungen aus filmbildenden Materialien in Lösemitteln, Dampfphasenabscheidung sowie andere Verdampfungsmethoden.
Für einen gegebenen Einfallwinkel weist die Dünnschicht eine von ihrem Brechungsindex abhängige optimale Dicke auf. Der optimale Wert wird typischerweise aus denjenigen ausgewählt, die für hohe S/N-Verhältnisse sorgen; um eine hohe Empfindlichkeit und eine schnellere Reaktionszeit zu erzielen, sollte die Dünnschicht vorzugsweise eine Dicke von 1 um und weniger aufweisen.
Der erfindungsgemäße Sensor hat viele Vorteile. Erstens: Die Lichtquelle, die Detektoren und andere notwendige Bauteile erfordern keine speziellen Ausführungen, und der Sensor stellt somit eine sehr einfache Konstruktion dar, die mit geringen Kosten hergestellt werden kann. Zweitens: Die Ausrüstung ist klein. Drittens: Die Dünnschicht kann, verglichen mit einem Sensor nach dem Stand der Technik, bei dem die Dünnschicht an einem Ende eines Lichtleiters gebildet wird, sehr einfach auf einem flachen Substrat gebildet werden. Viertens: Auf dem Substrat kann eine sehr dünne Schicht gebildet werden, und dies trägt zu einer höheren Empfindlichkeit und einer schnelleren Reaktionszeit bei.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung weiter verdeutlichen, sind aber keinesfalls als Einschränkung zu verstehen.

Beispiel 1

Bestimmung optimaler Werte für die Dicke der Dünnschicht und den Einfallwinkel

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Intensität des von einer Dünnschicht reflektierten Lichts eine periodische Funktion der Schichtdicke. Wenn das Substrat aus Silizium besteht, wird die Voraussetzung zur Erzielung eines Maximal- und Minimalwertes für die Intensität des reflektierten Lichts im Falle einer S-Polarisierung durch folgende Gleichung ausgedrückt:
4ndmcos / λ = m (m = 0,1,2)
Wenn m eine gerade Zahl ist, weist die Intensität des reflektierten Lichts einen Maximalwert auf, und wenn m eine ungerade Zahl ist, weist die Intensität einen Minimalwert auf. In der vorstehenden Gleichung steht λ für die Wellenlänge des einfallenden Lichts, n ist der Brechungsindex der Dünnschicht, ist der Winkel der Lichtfortpflanzung durch die Dünnschicht, und dm ist die Schichtdicke.
Um eine schnelle Reaktion zu erreichen, ist die Dicke der Schicht vorzugsweise gering. Die Voraussetzung zur Erzielung eines Minimalwertes der Primärreflexion für die Intensität des reflektierten Lichts besteht darin, daß die Dicke der Schicht dem folgenden Verhältnis entspricht:
d&sub1; = λ/4ncos
Wenn die Dünnschicht aus Poly(2-ethylhexylmethacrylat/styrol) besteht und der Einfallwinkel 70º beträgt, beläuft sich die Schichtdicke auf 132,1 nm, da n = 1,522.
Die Empfindlichkeit der Messung wird durch die Veränderung des Reflexionsvermögens R (d. h. R/R) bestimmt. Fig. 3 zeigt die berechneten Werte des Reflexionsvermögens R und seine Veränderung R/R für den Fall der Verwendung eines Sensorelements, das aus der Kombination einer Dünnschicht aus Poly(2-ethylhexylmethacrylat/styrol) mit einem Siliziumsubstrat besteht. Es ist offensichtlich, daß der Höchstwert von R/R bei d = 135 nm liegt. Die Dünnschicht in dem betreffenden Sensorelement sollte daher vorzugsweise eine Dicke von 135 nm aufweisen.
Das Verhältnis zwischen dem Reflexionsvermögen R und dem Einfallwinkel für das aus der Kombination einer Dünnschicht aus Poly(2-ethylhexylmethacrylat/styrol) mit einem Siliziumsubstrat hergestellte Sensorelement ist in Fig. 4 dargestellt, aus der erkennbar ist, daß R/R oder der Gradient von R mit dem Einfallwinkel zunimmt. Was jedoch die Empfindlichkeit (R/R) betrifft, so beträgt der Einfallwinkel vorzugsweise etwa 70º.

Beispiel 2

Messung mittels IER

Die Messungen wurden mit einer Ausrüstung, deren Anordnung aus Fig. 1 ersichtlich ist, bei Raumtemperatur durchgeführt. S-polarisiertes Licht von einem Helium-Neon-Laser wurde durch einen Strahlzerleger in Referenzlicht und Signallicht zerlegt. Das Laserlicht hatte eine Wellenlänge von 832,8 nm. Das Signallicht wurde so ausgerichtet, daß es auf die Dünnschicht im Sensorelement einfiel. Das Referenzlicht wurde zum zugehörigen Photodetektor geleitet, wo es in ein elektrisches Signal IR umgewandelt wurde. Andererseits wurde das vom Sensorelement reflektierte Signallicht zum zugehörigen Photodetektor geleitet, wo es in ein elektrisches Signal IS umgewandelt wurde. Die beiden elektrischen Signale wurden im elektronischen Schaltkreis verglichen, und das Ergebnis wurde von einem PC als Ausgangssignal ausgegeben.
Das Sensorelement, das aus einer Dünnschicht aus Poly(dodecylmethacrylat) auf einem Siliziumsubstrat bestand, wurde nach folgendem Verfahren hergestellt: Poly(dodecylmethacrylat) wurde in Cyclohexanon gelöst, um eine Lösung mit einer Konzentration von 10 Gewichtsprozent zu erhalten, mit der das Silziumsubstrat mittels Spin Coating beschichtet wurde. Die Dicke der Polymerschicht wurde durch Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit des Siliziumsubstrats eingestellt. Die so gebildeten Polymerschichten mit variierenden Dicken wurden in einem Vakuumtrockner bei Temperaturen in der Nähe des Glasübergangspunktes des Polymeren getrocknet. Die Schichtdicke wurde nach einem Stiftschreiberverfahren mit Hilfe eines Oberflächenstruktur-Analysengeräts (Modell 3030 ST) der DEKTAK Corp. gemessen. Die Schichten wiesen Dicken im Bereich von etwa 100 bis etwa 300 nm auf.
Um Messungen mittels IER durchzuführen, wurde das Sensorelement in einer Strömungszelle angeordnet, durch die gasförmige, dampfförmige oder flüssige Proben geleitet werden konnten. Der Einfallwinkel des Laserlichts wurde, abhängig von der Dicke der Polymerschicht, auf Werte zwischen 56 und 70º eingestellt.
Fig. 5 zeigt die Ergebnisse der Messungen mittels IER für die Hexan-, Methanol-, Ethanol- und Wasserdämpfe, die durch die Strömungszelle geleitet wurden. Die Polymerschicht wies eine Dicke von 135 nm auf, und das Laserlicht wurde so ausgerichtet, daß es mit einem Winkel von 70º einfiel. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, reagierte die Dünnschicht aus Poly(dodecylmethacrylat) auf Hexan mit einer sehr hohen Empfindlichkeit, während ihre Empfindlichkeit gegenüber Methanol und Ethanol gering war. Auf Wasser reagierte die Schicht praktisch überhaupt nicht.
Aus Fig. 5 ist ebenfalls ersichtlich, daß die Dünnschicht aus Poly(dodecylmethacrylat) sehr schnell auf Hexan reagierte. Im vorliegenden Beispiel 2 wurden Daten in Abständen von 1 Sekunde abgetastet. In Anbetracht der Tatsache, daß eine 124%ige relative Veränderung der Intensität des reflektierten Lichts bei einer Abtastung (d. h. 1 Sekunde) ermittelt wurde, zeichnet sich der Sensor nach vorliegender Erfindung durch eine sehr schnelle Reaktion aus.

Beispiel 3

Detektion der Dämpfe verschiedener chemischer Spezies mit unterschiedlichen Dünnschichten

Es wurden verschiedene Polymere zu Dünnschichten verarbeitet, die für die Herstellung von erfindungsgemäßen Sensorelementen verwendet wurden. Als Polymere wurden verwendet: Poly(vinylpyrrrolidon), PVP; Poly(vinylpropionat), PVPr; Poly(vinylacetat), PVAc; Polystyrol, PST; Poly(dodecylmethacrylat), PDDMA; und Poly(butylmethacrylat), PBMA.
Die Dünnschichten wurden aus diesen Polymeren nach folgendem Verfahren hergestellt: Zunächst wurden die Polymeren in einem geeigneten Lösemittel, beispielsweise Cyclohexanon, gelöst, um Lösungen mit Konzentrationen von 5-10 Gewichtsprozent herzustellen. Siliziumsubstrate wurden mittels Spin Coating mit den Lösungen beschichtet, um Dünnschichten zu bilden, die anschließend über einen Zeitraum von etwa 1,5 Stunden in einem Vakuumtrockner bei Temperaturen in der Nähe der Glasübergangspunkte der entsprechenden Polymeren getrocknet wurden. Die Dicken der getrockneten Schichten wurden nach demselben Verfahren wie im Beispiel 2 gemessen. Um die Detektionsempfindlichkeit zu verbessern, sollte die Schichtdicke höchstens 1 um betragen, und im vorliegenden Beispiel 3 wiesen alle verwendeten Schichten eine Dicke von 135 nm auf.
Um Messungen mittels IER durchzuführen, wurde das Sensorelement in einer Strömungszelle angeordnet, durch die die Dämpfe verschiedener Kohlenwasserstoffe zusammen mit Luft oder Stickstoff geleitet werden konnten. Die Dämpfe der nachzuweisenden Kohlenwasserstoffe wurden dadurch hergestellt, daß Luft oder Stickstoff durch die in flüssigem Zustand befindlichen Kohlenwasserstoffe geblasen wurde. Bei den im Beispiel 3 verwendeten Kohlenwasserstoffen handelte es sich um Toluol, Hexan, Methanol und Ethanol. Wasser wurde ebenfalls als nachzuweisende Spezies verwendet.
Licht von einem Helium-Neon-Laser (λ, 632,8 nm) wurde jeder einzelnen Dünnschicht mit einem Einfallwinkel von 70º zugeführt. Bei dem Laserlicht handelte es sich um in einer Richtung senkrecht zur Einfallebene linear polarisiertes Licht. Die Intensität des von den Dünnschichten reflektierten Lichts wurde mit dem zugehörigen Photodetektor gemessen, dessen Ausgangswerte in einem Schreiber und einem PC (Compaq 388 PC) festgehalten wurden.
Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle I als "Empfindlichkeit" dargestellt, d. h. als Prozentsatz der Veränderung der Intensität des reflektierten Lichts, dividiert durch den absoluten Wert der gleichen Intensität. Wie aus Tabelle I klar erkennbar, variierte die Empfindlichkeit der Messung mit den Arten der Dünnschicht und der nachzuweisenden Kohlenwasserstoffe. Tabelle I

Beispiel 4

Detektion unterschiedlicher chemischer Spezies mit mehr als einem Sensor

Es können mehrere chemische Spezies getrennt voneinander oder gleichzeitig mit Hilfe mehrerer Sensorelementreihen nachgewiesen werden.
Wie die Tabelle I im Beispiel 3 zeigt, weist die dünne PVP-Schicht gegenüber Toluol und Wasser eine hohe Empfindlichkeit auf, während ihre Empfindlichkeit gegenüber Hexan gering ist. Andererseits zeigt die dünne PDDMA-Schicht gegenüber Toluol und Hexan eine hohe Empfindlichkeit auf, ist aber im wesentlichen unempfindlich gegenüber Wasser. Es ist daher nicht einfach, diese chemischen Spezies getrennt voneinander nachzuweisen, wenn die dünne PVP- bzw. PDDMA-Schicht einzeln verwendet wird. Im vorliegenden Beispiel 4 wurden beide Dünnschichten auf einem einzigen Siliziumsubstrat gebildet, um zwei Meßkanäle bereitzustellen, und die Intensität des reflektierten Lichts wurde für jeden unabhängigen Kanal bei Raumtemperatur gemessen. Durch Vergleich der gemessenen Intensitäten des reflektierten Lichts konnten Toluol, Hexan und Wasser gleichzeitig identifiziert werden.

Beispiel 5

Detektion von Motorenbenzin und Dieselkraftstoff

Motorenbenzin und Dieselkraftstoff wurden mit einer Ausrüstung nachgewiesen, die der Ausführung im Beispiel 3 entspricht. Das Sensorelement, das aus einer Dünnschicht aus Poly(methylmethacrylat/butylmethacrylat) auf einem Siliziumsubstrat bestand, wurde nach folgendem Verfahren gebildet: Poly(methylmethacrylat/butylmethacrylat) wurde in Cyclohexan gelöst, um eine Lösung mit einer Konzentration von 10 Gewichtsprozent zu erhalten, mit der das Siliziumsubstrat mittels Spin Coating beschichtet wurde. Die so gebildete Polymerschicht wies eine Dicke von 131 nm auf. Licht von einem Helium-Neon-Laser wurde mit einem Einfallwinkel von 70º der Schicht zugeführt. Das Ergebnis der Detektion mit Hilfe dieses Sensorelements ist aus Fig. 6 ersichtlich.
Wie aus Fig. 6 klar erkennbar, weist die aus Poly(methylmethacrylat/butylmethacrylat) bestehende Dünnschicht eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Motorenbenzin, jedoch eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber Dieselkraftstoff auf. Bei Verwendung dieser Schicht lassen sich daher Motorenbenzin und Dieselkraftstoff getrennt voneinander nachweisen.

Beispiel 6

Detektion von Motorenbenzin und Dieselkraftstoff mit einem Photoreflektor

Fig. 7 zeigt die Anordnung eines Sensordetektionssystems mit einem Photoreflektor. Eine Schicht aus Poly(benzylmethacrylat/2-ethylhexylmethacrylat) wurde mittels Spin Coating auf einem Siliziumsubstrat gebildet. Diese Polymerschicht wies eine Dicke von 420 nm und einen Brechungsindex von 1,53 auf. Das mit dieser Polymerschicht beschichtete Siliziumsubstrat wurde vor einem Photoreflektor P2826, hergestellt von Hamamatsu Photonics, angeordnet. Der Abstand betrug 3 mm. Das Licht von einer lichtzuführenden Diode wurde auf der Polymerschicht reflektiert und mittels eines Phototransistors im Photoreflektor P2826 nachgewiesen. Bei der Lichtquelle des Photoreflektors P2826 handelte es sich um eine Galliumarsen-Emissionsdiode mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 940 nm und einer Halbwertbreite von 50 nm. Bei dem Photodetektor des Photoreflektors P2826 handelte es sich um einen Siliziumphototransistor.
In Fig. 8 sind Ausgangssignale für Motorenbenzin- und Dieselkraftstoffdämpfe dargestellt. Die Dämpfe wurden zwischen dem Photoreflektor und dem mit der Polymerschicht beschichteten Siliziumsubstrat durchgeleitet.
Wie aus Fig. 8 klar erkennbar, weist die aus Poly(benzylmethacrylat/2-ethylhexylmethacrylat) bestehende Dünnschicht eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Dieselkraftstoff, jedoch eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Motorenbenzin auf. Bei Verwendung dieser Schicht ist es daher möglich, Motorenbenzin und Dieselkraftstoff getrennt voneinander nachzuweisen.

Claims

1. Optischer Sensor für die Detektion gasförmiger oder flüssiger chemischer Spezies, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Sensorelement mit einer dünnen organischen Schicht oder einer dünnen Polymerschicht und einer Meßvorrichtung auf Basis der durch Interferenz gesteigerten Reflexion umfaßt.

2. Optischer Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement ein flaches lichtreflektierendes Substrat und eine oder mehrere transparente dünne organische Schichten oder hochpolymere Schichten umfaßt, die auf dem genannten Substrat gebildet werden.

3. Optischer Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er das Sensorelement, eine Lichtquelle, einen Polarisator, optische Pfade für Referenzlicht und Signallicht, Photodetektoren und elektronische Schaltkreise enthält.

4. Optischer Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er das Sensorelement, eine integrierte Vorrichtung mit einer Lichtquelle und einem Photodetektor sowie elektronische Schaltkreise umfaßt.

5. Optischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Reihe von Sensorelementen enthält, die aus ähnlichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, um die gleichzeitige Detektion und Identifizierung verschiedener chemischer Spezies zu ermöglichen.

6. Vorrichtung, die einen optischen Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Detektion der Gegenwart eines toxischen, brennbaren oder flammbaren Gases, Dampfes oder Lösemittels, eine Alarmvorrichtung und/oder Mittel zur Ein-Aus-Regelung für Schalter oder Rohrleitungen umfaßt.

7. Verfahren zur Detektion gasförmiger oder flüssiger chemischer Spezies unter Verwendung eines optischen Sensors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen oder flüssigen chemischen Spezies durch Messung der Veränderung der Lichtreflexionseigenschaften des Sensorelements auf Basis des Anschwellens der Dünnschicht oder der Veränderung ihrer Dicke oder ihres Brechungsindex oder auf Basis von Veränderungen beider Parameter nachgewiesen werden.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Produkts der Dicke und des Brechungsindex der Dünnschicht durch Messung mittels der durch Interferenz gesteigerten Reflexion nachgewiesen wird, wobei die genannte Veränderung darauf zurückzuführen ist, daß die Dünnschicht mit den nachzuweisenden chemischen Spezies reagiert oder diese absorbiert oder adsorbiert.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß es auf die Gegenwart der chemischen Spezies prüft und/oder deren Menge als Funktion der Intensität des reflektierten Lichts nachweist.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere chemische Spezies getrennt voneinander nachgewiesen werden, indem die Veränderung der Intensität des reflektierten Lichts oder der Reaktionszeit auf Basis des Anschwellens der Dünnschicht oder der Veränderung ihrer Dicke oder ihres Brechungsindex oder auf Basis von Veränderungen beider Parameter gemessen wird.