JP3001357B2 - 化学物質検知用光学センサ - Google Patents
化学物質検知用光学センサInfo
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- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、化学物質検知用光学セ
ンサに関する。更に詳しくは、センサ部材として機能す
る有機、無機又は高分子薄膜によって反射された光を用
いた干渉増幅反射法（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｎ
ｈａｎｃｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、以下「ＩＥＲ
法」という）による化学物質検知用光学センサに関す
る。該薄膜は、気体又は液体の化学物質と反応するか又
は該物質を吸着若しくは吸収するものである。
ンサに関する。更に詳しくは、センサ部材として機能す
る有機、無機又は高分子薄膜によって反射された光を用
いた干渉増幅反射法（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｎ
ｈａｎｃｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、以下「ＩＥＲ
法」という）による化学物質検知用光学センサに関す
る。該薄膜は、気体又は液体の化学物質と反応するか又
は該物質を吸着若しくは吸収するものである。
【０００２】
【従来の技術】光の反射を利用した種々の形態の光セン
サが知られている。例えば、近年Ｇａｕｇｌｉｔｚら
は、ポリマーフィルムの膨潤を利用したガスや溶剤の検
知のための反射分光法を報告している（ＧＩＴ Ｆａｃ
ｈｚ．Ｌａｂ，７、８８９、１９９０）。この方法で
は、白色光源及び反射光の変化を分析するための分光器
を使用している。従って、装置が大型になり、加えて光
フィルター等の周辺部材も必要であるという問題があっ
た。
サが知られている。例えば、近年Ｇａｕｇｌｉｔｚら
は、ポリマーフィルムの膨潤を利用したガスや溶剤の検
知のための反射分光法を報告している（ＧＩＴ Ｆａｃ
ｈｚ．Ｌａｂ，７、８８９、１９９０）。この方法で
は、白色光源及び反射光の変化を分析するための分光器
を使用している。従って、装置が大型になり、加えて光
フィルター等の周辺部材も必要であるという問題があっ
た。
【０００３】ヨーロッパ特許出願公開第０２８２００９
号明細書では、炭化水素相互作用に起因する反射率係数
変化を利用した光ファイバー検知器が開示されている。
この明細書に記載されている検知器は、光学損失を変化
させる炭化水素の存在によってクラッド材の屈折率が変
化することに基づくものである。
号明細書では、炭化水素相互作用に起因する反射率係数
変化を利用した光ファイバー検知器が開示されている。
この明細書に記載されている検知器は、光学損失を変化
させる炭化水素の存在によってクラッド材の屈折率が変
化することに基づくものである。
【０００４】Ｎｙｌａｎｄｅｒらは、表面プラズモン共
鳴法を用いたガス検知器について述べている（Ｓｅｎｓ
ｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ３，７９−８
８，１９８２）。この場合、表面プラズモンの共鳴条件
は使用するポリマーフィルムの光学的パラメータに大き
く影響される。該ポリマーフィルムの光学的パラメータ
は有機物の蒸気によって変化するものである。
鳴法を用いたガス検知器について述べている（Ｓｅｎｓ
ｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ３，７９−８
８，１９８２）。この場合、表面プラズモンの共鳴条件
は使用するポリマーフィルムの光学的パラメータに大き
く影響される。該ポリマーフィルムの光学的パラメータ
は有機物の蒸気によって変化するものである。
【０００５】米国特許出願第２５９５５６号明細書（１
９８８年１０月１８日）には、光ファイバーの末端に金
属薄膜が施された、光ファイバー化学物質センサが開示
されている。このセンサは、金属薄膜を化学物質と接触
せしめることにより、その厚みが変化し、結果的にその
反射特性が変化することを利用している。
９８８年１０月１８日）には、光ファイバーの末端に金
属薄膜が施された、光ファイバー化学物質センサが開示
されている。このセンサは、金属薄膜を化学物質と接触
せしめることにより、その厚みが変化し、結果的にその
反射特性が変化することを利用している。
【０００６】Ｂｕｔｌｅｒは、マルチモード光ファイバ
ーの末端にポリマーフィルムを施した干渉センサについ
て報告している。ここでは、ポリマーフィルムを化学物
質と接触せしめると該フィルムが膨潤することに起因し
て光ファイバー末端の反射性が変化することを利用して
いる。しかしながら、このセンサでは光ファイバーの末
端に薄いポリマーフィルムを形成することは容易ではな
い。
ーの末端にポリマーフィルムを施した干渉センサについ
て報告している。ここでは、ポリマーフィルムを化学物
質と接触せしめると該フィルムが膨潤することに起因し
て光ファイバー末端の反射性が変化することを利用して
いる。しかしながら、このセンサでは光ファイバーの末
端に薄いポリマーフィルムを形成することは容易ではな
い。
【０００７】特開平４−７７６５１号では、色素と化学
物質感受性化合物とを含有するセンサ膜を用いた光ファ
イバー化学物質センサが開示されている。このセンサで
は、化学物質感受性化合物と被検化学物質とが結合する
ことによってセンサ膜の光反射率又は色が変化すること
を利用している。
物質感受性化合物とを含有するセンサ膜を用いた光ファ
イバー化学物質センサが開示されている。このセンサで
は、化学物質感受性化合物と被検化学物質とが結合する
ことによってセンサ膜の光反射率又は色が変化すること
を利用している。
【０００８】これらの光ファイバーセンサの欠点は、観
測される反射率の変化が非常に小さいため、十分な感度
が得られずダイナミックレンジが制限される、というこ
とである。
測される反射率の変化が非常に小さいため、十分な感度
が得られずダイナミックレンジが制限される、というこ
とである。
【０００９】米国特許第４６４１５２４号明細書では、
多孔吸水性誘電材料の層を有する鏡を備えた光学的湿度
センサが開示されている。また、米国特許第４５２５３
７６号明細書では、基板上のシリコン層をモニターする
ために波長依存反射法（ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ ｄｅ
ｐｅｎｄｅｎｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を利用した厚
み調節器が開示されている。
多孔吸水性誘電材料の層を有する鏡を備えた光学的湿度
センサが開示されている。また、米国特許第４５２５３
７６号明細書では、基板上のシリコン層をモニターする
ために波長依存反射法（ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ ｄｅ
ｐｅｎｄｅｎｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を利用した厚
み調節器が開示されている。
【００１０】特開平４−１９１４２号には、導電性ポリ
マーを主成分とする重合膜の表面の光反射率の変化を利
用したアンモニアセンサーが開示されている。しかし、
このセンサーは応答速度が十分でないので、より応答速
度の速いセンサーが望まれていた。
マーを主成分とする重合膜の表面の光反射率の変化を利
用したアンモニアセンサーが開示されている。しかし、
このセンサーは応答速度が十分でないので、より応答速
度の速いセンサーが望まれていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、より高
感度で選択性が高く、応答速度が速く、また小型で簡単
に構成できるセンサが更に望まれていた。
感度で選択性が高く、応答速度が速く、また小型で簡単
に構成できるセンサが更に望まれていた。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、
本発明によれば、平坦な反射用基板及び該基板上にある
一又はそれ以上の透明な有機若しくは無機薄膜又は高分
子薄膜を含んでなるセンサ部材であって、前記薄膜は、
検知すべき化学物質と反応又は該化学物質を吸収若しく
は吸着するものである前記センサ部材と、前記反応、吸
収又は吸着により生じる、薄膜の膨潤の変化、或いは薄
膜の厚み若しくは屈折率又はその双方の変化による前記
センサ部材の反射特性の変化を測定する測定手段と、を
含む気体又は液体の化学物質検知用光学センサが提供さ
れる。
本発明によれば、平坦な反射用基板及び該基板上にある
一又はそれ以上の透明な有機若しくは無機薄膜又は高分
子薄膜を含んでなるセンサ部材であって、前記薄膜は、
検知すべき化学物質と反応又は該化学物質を吸収若しく
は吸着するものである前記センサ部材と、前記反応、吸
収又は吸着により生じる、薄膜の膨潤の変化、或いは薄
膜の厚み若しくは屈折率又はその双方の変化による前記
センサ部材の反射特性の変化を測定する測定手段と、を
含む気体又は液体の化学物質検知用光学センサが提供さ
れる。
【００１３】本発明は、化学物質との反応又は化学物質
を吸収若しくは吸着することによって生ずる薄膜の厚み
と屈折率との積の変化を検知する測定手段を含んでな
る、光学センサを提供する。
を吸収若しくは吸着することによって生ずる薄膜の厚み
と屈折率との積の変化を検知する測定手段を含んでな
る、光学センサを提供する。
【００１４】本発明は、反射光の強度の関数として化学
物質の存否及び／又は量を検知する測定手段を含んでな
る、光学センサを提供する。更に、本発明は、薄膜の膨
潤の変化、或いは薄膜の厚み若しくは屈折率又はその双
方の変化による反射光の強度又は応答時間の変化を測定
することにより、異種の化学物質を区別する測定手段を
含んでなる、光学センサを提供する。
物質の存否及び／又は量を検知する測定手段を含んでな
る、光学センサを提供する。更に、本発明は、薄膜の膨
潤の変化、或いは薄膜の厚み若しくは屈折率又はその双
方の変化による反射光の強度又は応答時間の変化を測定
することにより、異種の化学物質を区別する測定手段を
含んでなる、光学センサを提供する。
【００１５】本発明は、異なる種類の化学物質を同時に
検知し、バックグラウンドの影響を校正し、且つ同定性
を高めるための、同種又は異種材料から成る一連のセン
サ部材を含んでなる光学センサを提供する。
検知し、バックグラウンドの影響を校正し、且つ同定性
を高めるための、同種又は異種材料から成る一連のセン
サ部材を含んでなる光学センサを提供する。
【００１６】更に、本発明は、素早い応答時間に加えて
より高い感度やダイナミックレンジを得るために、最適
なセンサ部材用薄膜の厚み及び光の入射角を有する光学
センサを提供する。
より高い感度やダイナミックレンジを得るために、最適
なセンサ部材用薄膜の厚み及び光の入射角を有する光学
センサを提供する。
【００１７】本発明は、センサ部材、光源、偏光子、参
照光用光路及び信号光用光路、光検出器並びに電子回路
を含んでなる、光学センサを提供する。又、本発明は、
センサ部材、光源と光検出器とが一体化された集積素
子、及び電子回路を含んでなる、光学センサを提供す
る。更に、本発明は、有毒性、燃焼性又は引火性のガ
ス、蒸気又は溶剤の存在を検知するための光学センサ、
警報機及び／又はスイッチ又はパイプラインをオン−オ
フする手段を含む装置を提供する。
照光用光路及び信号光用光路、光検出器並びに電子回路
を含んでなる、光学センサを提供する。又、本発明は、
センサ部材、光源と光検出器とが一体化された集積素
子、及び電子回路を含んでなる、光学センサを提供す
る。更に、本発明は、有毒性、燃焼性又は引火性のガ
ス、蒸気又は溶剤の存在を検知するための光学センサ、
警報機及び／又はスイッチ又はパイプラインをオン−オ
フする手段を含む装置を提供する。
【００１８】本発明において使用し得るセンサ部材は、
例えば、平坦な反射用基板及び該基板上にある一又はそ
れ以上の透明な有機又は高分子薄膜から成る。該薄膜は
特定の種類の化学物質と反応するものであるか、又は該
化学物質を吸収若しくは吸着するものである。或いは、
該薄膜は、ある種のカテゴリーに属する数種の化学物質
と反応するものであるか、又は該化学物質を吸収若しく
は吸着するものである。なお、該薄膜は、有機又は高分
子物質に限定されず、他の物質、例えば有機金属化合物
や無機物質であってもよい。薄膜を支持するための基板
は、入射光を反射するために平坦であることが好まし
い。その材料としては、例えば透明ガラスや高反射性物
質が使用し得る。高反射性物質として、例えばシリコン
のような半導体や金属を使用すると、より高い感度と広
いダイナミックレンジが得られる。
例えば、平坦な反射用基板及び該基板上にある一又はそ
れ以上の透明な有機又は高分子薄膜から成る。該薄膜は
特定の種類の化学物質と反応するものであるか、又は該
化学物質を吸収若しくは吸着するものである。或いは、
該薄膜は、ある種のカテゴリーに属する数種の化学物質
と反応するものであるか、又は該化学物質を吸収若しく
は吸着するものである。なお、該薄膜は、有機又は高分
子物質に限定されず、他の物質、例えば有機金属化合物
や無機物質であってもよい。薄膜を支持するための基板
は、入射光を反射するために平坦であることが好まし
い。その材料としては、例えば透明ガラスや高反射性物
質が使用し得る。高反射性物質として、例えばシリコン
のような半導体や金属を使用すると、より高い感度と広
いダイナミックレンジが得られる。
【００１９】本発明においては、薄膜の膨潤の変化や、
薄膜の厚み若しくは屈折率又はその双方の変化により、
センサ部材の反射特性の変化を測定することによって、
気体又は液体の化学物質が検知される。上述の如く、薄
膜は特定の化学物質又はある種のカテゴリーに属する数
種の化学物質と反応等の相互作用をする。その相互作用
の結果、薄膜には、例えば膨潤等の物理的変化が生じ
る。更に、かかる膨潤に起因して薄膜の光学的パラメー
タである厚みや屈折率が変化する。このような種々の変
化は、薄膜の光学的性質を変化せしめるものなので、薄
膜、つまりセンサ部材の反射特性の変化を測定すること
によって、気体又は液体の化学物質を検知することがで
きるのである。かかる反射特性の変化を測定する手段と
して、本発明においては、ＩＥＲ法を用いる。本発明に
おいては、好ましくは化学物質との反応又は化学物質を
吸収若しくは吸着することによって生ずる薄膜の厚みと
屈折率との積の変化をＩＥＲ法測定手段によって検知す
る。
薄膜の厚み若しくは屈折率又はその双方の変化により、
センサ部材の反射特性の変化を測定することによって、
気体又は液体の化学物質が検知される。上述の如く、薄
膜は特定の化学物質又はある種のカテゴリーに属する数
種の化学物質と反応等の相互作用をする。その相互作用
の結果、薄膜には、例えば膨潤等の物理的変化が生じ
る。更に、かかる膨潤に起因して薄膜の光学的パラメー
タである厚みや屈折率が変化する。このような種々の変
化は、薄膜の光学的性質を変化せしめるものなので、薄
膜、つまりセンサ部材の反射特性の変化を測定すること
によって、気体又は液体の化学物質を検知することがで
きるのである。かかる反射特性の変化を測定する手段と
して、本発明においては、ＩＥＲ法を用いる。本発明に
おいては、好ましくは化学物質との反応又は化学物質を
吸収若しくは吸着することによって生ずる薄膜の厚みと
屈折率との積の変化をＩＥＲ法測定手段によって検知す
る。
【００２０】本発明は、高反射性基板上の薄膜の反射特
性を利用した方法である。薄膜の表面で反射した光と、
薄膜と基板との界面で反射した光とは互いに干渉する。
反射光の強度は、薄膜の厚み及び屈折率に大きく依存す
る。即ち、薄膜の厚み若しくは屈折率の変化又はその両
者の変化は、反射光の強度の変化となってあらわれる。
更に、複数の薄膜における膨潤挙動が異なる場合であっ
ても、反射光の強度のそれぞれの変化から、それぞれの
薄膜の膨潤を容易に判別し得る。つまり、ＩＥＲ法で
は、薄膜の物理的変化として、薄膜の厚み及び／又は屈
折率の変化を利用している。本発明においては、ＩＥＲ
法を利用して反射光の強度の関数として化学物質の存否
及び／又は量を検知することができる。
性を利用した方法である。薄膜の表面で反射した光と、
薄膜と基板との界面で反射した光とは互いに干渉する。
反射光の強度は、薄膜の厚み及び屈折率に大きく依存す
る。即ち、薄膜の厚み若しくは屈折率の変化又はその両
者の変化は、反射光の強度の変化となってあらわれる。
更に、複数の薄膜における膨潤挙動が異なる場合であっ
ても、反射光の強度のそれぞれの変化から、それぞれの
薄膜の膨潤を容易に判別し得る。つまり、ＩＥＲ法で
は、薄膜の物理的変化として、薄膜の厚み及び／又は屈
折率の変化を利用している。本発明においては、ＩＥＲ
法を利用して反射光の強度の関数として化学物質の存否
及び／又は量を検知することができる。
【００２１】本発明においては、薄膜の膨潤又は光学的
パラメータ（例えば、薄膜の厚みや屈折率）の変化に起
因する反射光の強度又は応答時間の変化を測定すること
により、異種の化学物質を互いに区別することが可能で
ある。つまり、薄膜と化学物質との相互作用は、薄膜の
種類及び化学物質の種類によってそれぞれ異なるので、
相互作用の結果生ずる反射光の強度も薄膜と化学物質の
組み合わせによってそれぞれ異なることになる。また、
応答時間も薄膜と化学物質との相互作用の程度によって
異なる。このように、反射光の強度や応答時間の変化等
の情報から異種の化学物質をそれぞれ区別することが可
能となるのである。本発明において異種の化学物質を同
時に検知し且つ同定するためには、同一又は異なる種類
の一連のセンサ部材を用いることが好ましい。
パラメータ（例えば、薄膜の厚みや屈折率）の変化に起
因する反射光の強度又は応答時間の変化を測定すること
により、異種の化学物質を互いに区別することが可能で
ある。つまり、薄膜と化学物質との相互作用は、薄膜の
種類及び化学物質の種類によってそれぞれ異なるので、
相互作用の結果生ずる反射光の強度も薄膜と化学物質の
組み合わせによってそれぞれ異なることになる。また、
応答時間も薄膜と化学物質との相互作用の程度によって
異なる。このように、反射光の強度や応答時間の変化等
の情報から異種の化学物質をそれぞれ区別することが可
能となるのである。本発明において異種の化学物質を同
時に検知し且つ同定するためには、同一又は異なる種類
の一連のセンサ部材を用いることが好ましい。
【００２２】本発明のセンサは、上述のセンサ部材の他
に、ＩＥＲ法測定手段としての光源、偏光子、参照光用
光路及び信号光用光路、光検出器並びに電子回路から成
ることが好ましい。センサ部材は、光源から発せられた
光を受け、反射光を発する。光検出器は、センサ部材で
反射した光及び参照光用光路からの光の強度を電気信号
に変換するためのものである。電子回路は、センサ部材
で反射した光の強度による電気信号ＩSと、参照光用光
路からの光の強度による電気信号ＩRとを比較して化学
物質の存否及び／又はその量を計算するためのものであ
る。かかる電子回路には、化学物質の量に対して線形的
に応答する出力信号を発生させるための回路が更に備え
られていてもよい。また、本発明のセンサが有毒性、燃
焼性又は引火性のガス、蒸気又は溶剤の存在を検知した
場合には、上記電子回路で発生した信号は、警報として
用いることができ、および／又は種々のスイッチ類若し
くはパイプラインをオン−オフすることができる。更
に、この装置若しくはプロセスを制御する手段を加える
ことができる。本発明のセンサは光学的検知手段を用い
ているため本質的に防爆性であるので、爆発性ないしは
引火性物質等の漏洩を検知するために特に有用である。
に、ＩＥＲ法測定手段としての光源、偏光子、参照光用
光路及び信号光用光路、光検出器並びに電子回路から成
ることが好ましい。センサ部材は、光源から発せられた
光を受け、反射光を発する。光検出器は、センサ部材で
反射した光及び参照光用光路からの光の強度を電気信号
に変換するためのものである。電子回路は、センサ部材
で反射した光の強度による電気信号ＩSと、参照光用光
路からの光の強度による電気信号ＩRとを比較して化学
物質の存否及び／又はその量を計算するためのものであ
る。かかる電子回路には、化学物質の量に対して線形的
に応答する出力信号を発生させるための回路が更に備え
られていてもよい。また、本発明のセンサが有毒性、燃
焼性又は引火性のガス、蒸気又は溶剤の存在を検知した
場合には、上記電子回路で発生した信号は、警報として
用いることができ、および／又は種々のスイッチ類若し
くはパイプラインをオン−オフすることができる。更
に、この装置若しくはプロセスを制御する手段を加える
ことができる。本発明のセンサは光学的検知手段を用い
ているため本質的に防爆性であるので、爆発性ないしは
引火性物質等の漏洩を検知するために特に有用である。
【００２３】従って、本発明のセンサは、種々の広範な
用途、例えばプロセス制御、品質管理、環境モニター、
ガス又は液体の漏洩検知等に適用可能である。
用途、例えばプロセス制御、品質管理、環境モニター、
ガス又は液体の漏洩検知等に適用可能である。
【００２４】本発明のセンサの用途の一例として特に適
切なものには、ガソリンスタンドにおける燃料の種別の
検知があり、特に誤って給油しがちなガソリンとディー
ゼルオイルとを区別するために用いることができる。上
述の如く、本発明のセンサは防爆性であるので、ガソリ
ンスタンドのような引火性ないしは可燃性物質を取り扱
う場所においても安全に使用し得る。この例では、ガソ
リンとディーゼルオイルとの検知に通常必要とされる温
度範囲−４０〜８０℃では充分に使用可能であった。ま
た、本発明のセンサを複数使用したセンサシステムを構
築することも可能である。
切なものには、ガソリンスタンドにおける燃料の種別の
検知があり、特に誤って給油しがちなガソリンとディー
ゼルオイルとを区別するために用いることができる。上
述の如く、本発明のセンサは防爆性であるので、ガソリ
ンスタンドのような引火性ないしは可燃性物質を取り扱
う場所においても安全に使用し得る。この例では、ガソ
リンとディーゼルオイルとの検知に通常必要とされる温
度範囲−４０〜８０℃では充分に使用可能であった。ま
た、本発明のセンサを複数使用したセンサシステムを構
築することも可能である。
【００２５】本発明の実施態様の一例を図１に示す。セ
ンサ部材１に入射する光は、光源２より発せられる。光
源２としては例えばレーザー光や発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）を使用することができる。レーザー光としては、例
えばＨｅ−Ｎｅレーザーがある。光源２より発せられた
光はビームスプリッタ３で二分され、一方は偏光子４へ
入射し、他方は参照光用光路５へ向かい参照光用光検出
器６で電気信号に変換される。偏光子４では光がセンサ
部材１の入射面とは直角方向に偏光される。偏光した入
射光は、センサ部材１の表面、即ち薄膜７の表面及び薄
膜７と基板８との界面でそれぞれ反射する。両面で反射
した光は互いに干渉し、信号光用光検出器９で電気信号
に変換される。光検出器としては、例えば、フォトダイ
オードを使用することができる。光検出器は、受けた光
の強度に比例した電気信号を発生する。参照光用光検出
器６及び信号光用光検出器９でそれぞれ発生した電気信
号ＩR及びＩSは、電子回路１０に入力される。電子回路
１０は両者の比ＩS／ＩRを測定信号として出力する。出
力された信号は、適切な記録手段１１を用いることによ
って記録される。
ンサ部材１に入射する光は、光源２より発せられる。光
源２としては例えばレーザー光や発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）を使用することができる。レーザー光としては、例
えばＨｅ−Ｎｅレーザーがある。光源２より発せられた
光はビームスプリッタ３で二分され、一方は偏光子４へ
入射し、他方は参照光用光路５へ向かい参照光用光検出
器６で電気信号に変換される。偏光子４では光がセンサ
部材１の入射面とは直角方向に偏光される。偏光した入
射光は、センサ部材１の表面、即ち薄膜７の表面及び薄
膜７と基板８との界面でそれぞれ反射する。両面で反射
した光は互いに干渉し、信号光用光検出器９で電気信号
に変換される。光検出器としては、例えば、フォトダイ
オードを使用することができる。光検出器は、受けた光
の強度に比例した電気信号を発生する。参照光用光検出
器６及び信号光用光検出器９でそれぞれ発生した電気信
号ＩR及びＩSは、電子回路１０に入力される。電子回路
１０は両者の比ＩS／ＩRを測定信号として出力する。出
力された信号は、適切な記録手段１１を用いることによ
って記録される。
【００２６】本発明における光源としては、レーザー、
レーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）、ランプのようなインコヒーレント光源を用いるこ
とが可能である。またこれらの光源とフィルター及び光
をコリメートし且つ導波するために必要な光学部品とを
組み合わせたものや、これらの光源と光ファイバーを組
み合わせたものを用いることも可能である。光源として
インコヒーレント光源を用いる場合には、フィルターと
組み合わせて用いることが好ましい。
レーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）、ランプのようなインコヒーレント光源を用いるこ
とが可能である。またこれらの光源とフィルター及び光
をコリメートし且つ導波するために必要な光学部品とを
組み合わせたものや、これらの光源と光ファイバーを組
み合わせたものを用いることも可能である。光源として
インコヒーレント光源を用いる場合には、フィルターと
組み合わせて用いることが好ましい。
【００２７】本発明において、センサーの感度、選択性
及びダイナミックレンジを向上させるためには、単一又
は複数のセンサ部材と波長の異なる光源とを組み合わせ
て用いることもできる。
及びダイナミックレンジを向上させるためには、単一又
は複数のセンサ部材と波長の異なる光源とを組み合わせ
て用いることもできる。
【００２８】本発明に用いられる光源及び光検出器は、
光源及び該光源からの光を検出する光検出器の双方を含
む一体化した集積素子でもよい。このような光源／光検
出器の集積素子としては、フォトリフレクター、反射形
フォトセンサー、反射形フォトインタラプタ又はライト
リフレクタＩＣなどが一般に用いられる。あるいは、前
記集積素子は、ＬＥＤ及びダイオード光検出器／フォト
トランジスターがそれぞれ同一面上に配置されているフ
ォトセンサーユニットでもよい。そのようなフォトセン
サーユニットでは、発光ダイオード及び光検出器の前面
にあるセンシングフィルムからの反射を検出することが
できる。また、集積素子には、前記部材に加えて、信号
増幅用のアンプや信号処理回路が組み込まれていてもよ
い。従って、本発明のセンサは、センサ部材、光源と光
検出器とが一体化された集積素子、及び電子回路から成
っていてもよい。
光源及び該光源からの光を検出する光検出器の双方を含
む一体化した集積素子でもよい。このような光源／光検
出器の集積素子としては、フォトリフレクター、反射形
フォトセンサー、反射形フォトインタラプタ又はライト
リフレクタＩＣなどが一般に用いられる。あるいは、前
記集積素子は、ＬＥＤ及びダイオード光検出器／フォト
トランジスターがそれぞれ同一面上に配置されているフ
ォトセンサーユニットでもよい。そのようなフォトセン
サーユニットでは、発光ダイオード及び光検出器の前面
にあるセンシングフィルムからの反射を検出することが
できる。また、集積素子には、前記部材に加えて、信号
増幅用のアンプや信号処理回路が組み込まれていてもよ
い。従って、本発明のセンサは、センサ部材、光源と光
検出器とが一体化された集積素子、及び電子回路から成
っていてもよい。
【００２９】本発明の別の態様としては、偏光子４は入
射光がセンサ部材１で反射された後の位置に設置しても
よい。また、本発明の更に別の態様としては、偏光子４
及びビームスプリッタ３としても機能する偏光ビームス
プリッタを使用してもよい。かかる偏光ビームスプリッ
タを使用すると、参照光用光路５へも平行偏光光が入射
することになる。
射光がセンサ部材１で反射された後の位置に設置しても
よい。また、本発明の更に別の態様としては、偏光子４
及びビームスプリッタ３としても機能する偏光ビームス
プリッタを使用してもよい。かかる偏光ビームスプリッ
タを使用すると、参照光用光路５へも平行偏光光が入射
することになる。
【００３０】基板上の薄膜において反射した光の量は、
光の入射角及び偏光度に加えて、薄膜の膜厚、薄膜の屈
折率及び薄膜の上下の媒質の屈折率によって決定され
る。薄膜の表面で反射した光と、薄膜と基板との界面で
反射した光は互いに干渉する。かかる干渉は、薄膜の厚
み及び屈折率に大きく依存するものである。
光の入射角及び偏光度に加えて、薄膜の膜厚、薄膜の屈
折率及び薄膜の上下の媒質の屈折率によって決定され
る。薄膜の表面で反射した光と、薄膜と基板との界面で
反射した光は互いに干渉する。かかる干渉は、薄膜の厚
み及び屈折率に大きく依存するものである。
【００３１】図２は、薄膜の厚みと反射率との関係を計
算した結果を表すグラフである。使用した薄膜の屈折率
は１．５２２であり、薄膜はシリコン基板にて支持して
ある。入射光は、入射面に対して平行又は垂直に偏光し
てあり、入射角は７０°である。また、入射光の波長は
６３３ｎｍである。図２から明らかなように、入射面に
対して垂直に偏光した入射光は、平行に偏光した入射光
よりも、薄膜の厚みに対してドラスチックに応答してい
る。かかる理由により、本発明においては、入射面に対
して平行に偏光した入射光よりも垂直に偏光した入射光
を用いることが好ましい。しかしながら、偏光していな
い光を入射光として用いることも勿論可能である。尤
も、偏光していない光を入射光として用いると、測定感
度が低くなりがちである。
算した結果を表すグラフである。使用した薄膜の屈折率
は１．５２２であり、薄膜はシリコン基板にて支持して
ある。入射光は、入射面に対して平行又は垂直に偏光し
てあり、入射角は７０°である。また、入射光の波長は
６３３ｎｍである。図２から明らかなように、入射面に
対して垂直に偏光した入射光は、平行に偏光した入射光
よりも、薄膜の厚みに対してドラスチックに応答してい
る。かかる理由により、本発明においては、入射面に対
して平行に偏光した入射光よりも垂直に偏光した入射光
を用いることが好ましい。しかしながら、偏光していな
い光を入射光として用いることも勿論可能である。尤
も、偏光していない光を入射光として用いると、測定感
度が低くなりがちである。
【００３２】本発明においては、光を分割し、案内し、
又はセンサ部材及び光検出器に光を集光し若しくはコリ
メート（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）するために適切な光学部
材及び光学ファイバーを用いることも可能である。
又はセンサ部材及び光検出器に光を集光し若しくはコリ
メート（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）するために適切な光学部
材及び光学ファイバーを用いることも可能である。
【００３３】本発明は、センサ部材の薄膜が、化学物質
と反応し、又は化学物質を吸収若しくは吸着する結果、
該薄膜の厚み若しくは屈折率又はその双方が変化すると
いう事実に基づいてなされたものである。そして、ＩＥ
Ｒ法を用いて、かかる変化をそれに対応する反射光の変
化として測定し、化学物質の存否及び／又はその量を検
知することが可能となる。そのような薄膜として、本発
明において使用可能なものには、目的とする化学物質と
反応、吸着又は吸収等の相互作用のある有機材料及び高
分子材料等がある。そのような材料には例えば、種々の
側鎖基を有するビニルポリマー類、ポリシロキサン及び
種々の重縮合物（ポリエステル類、ポリアミド類、ポリ
イミド類、ポリウレタン類及びポリウレア類）がある。
と反応し、又は化学物質を吸収若しくは吸着する結果、
該薄膜の厚み若しくは屈折率又はその双方が変化すると
いう事実に基づいてなされたものである。そして、ＩＥ
Ｒ法を用いて、かかる変化をそれに対応する反射光の変
化として測定し、化学物質の存否及び／又はその量を検
知することが可能となる。そのような薄膜として、本発
明において使用可能なものには、目的とする化学物質と
反応、吸着又は吸収等の相互作用のある有機材料及び高
分子材料等がある。そのような材料には例えば、種々の
側鎖基を有するビニルポリマー類、ポリシロキサン及び
種々の重縮合物（ポリエステル類、ポリアミド類、ポリ
イミド類、ポリウレタン類及びポリウレア類）がある。
【００３４】感度の点からは、好ましくは下記の繰り返
し単位（Ｉ）を有するホモポリマー又はコポリマーを用
いることができる。
し単位（Ｉ）を有するホモポリマー又はコポリマーを用
いることができる。
【００３５】
【化１】 （式中、Ｘは、−Ｈ、−Ｆ、−Ｃｌ、−Ｂｒ、−Ｃ
Ｈ3、−ＣＦ3、−ＣＮ又は−ＣＨ2−ＣＨ3を表し、Ｒ1
は、−Ｒ2又は−Ｚ−Ｒ2を表し、Ｚは、−Ｏ−、 −Ｓ
−、 −ＮＨ−、 −ＮＲ2’−、 −（Ｃ＝Ｙ）−、 −（Ｃ
＝Ｙ）−Ｙ−、 −Ｙ−（Ｃ＝Ｙ）−、 −（ＳＯ2）−、
−Ｙ’−（ＳＯ2）−、 −（ＳＯ2）−Ｙ’−、 −Ｙ’−
（ＳＯ2）−Ｙ’−、 −ＮＨ−（Ｃ＝Ｏ）−、 −（Ｃ＝
Ｏ）−ＮＨ−、−（Ｃ＝Ｏ）−ＮＲ2’−、 −Ｙ’−
（Ｃ＝Ｙ）−Ｙ’−又は−Ｏ−（Ｃ＝Ｏ）−（ＣＨ2）n
−（Ｃ＝Ｏ）−Ｏ−を表し、Ｙは、同一の又は異なるＯ
又はＳを表し、Ｙ’は、同一の又は異なるＯ又はＮＨを
表し、ｎは０〜２０の整数を表し、Ｒ2及びＲ2’は、同
一の又は異なる水素、直鎖アルキル基、分枝アルキル
基、シクロアルキル基、不飽和炭化水素基、アリール
基、飽和若しくは不飽和ヘテロ環又はそれらの置換体を
表す。）
Ｈ3、−ＣＦ3、−ＣＮ又は−ＣＨ2−ＣＨ3を表し、Ｒ1
は、−Ｒ2又は−Ｚ−Ｒ2を表し、Ｚは、−Ｏ−、 −Ｓ
−、 −ＮＨ−、 −ＮＲ2’−、 −（Ｃ＝Ｙ）−、 −（Ｃ
＝Ｙ）−Ｙ−、 −Ｙ−（Ｃ＝Ｙ）−、 −（ＳＯ2）−、
−Ｙ’−（ＳＯ2）−、 −（ＳＯ2）−Ｙ’−、 −Ｙ’−
（ＳＯ2）−Ｙ’−、 −ＮＨ−（Ｃ＝Ｏ）−、 −（Ｃ＝
Ｏ）−ＮＨ−、−（Ｃ＝Ｏ）−ＮＲ2’−、 −Ｙ’−
（Ｃ＝Ｙ）−Ｙ’−又は−Ｏ−（Ｃ＝Ｏ）−（ＣＨ2）n
−（Ｃ＝Ｏ）−Ｏ−を表し、Ｙは、同一の又は異なるＯ
又はＳを表し、Ｙ’は、同一の又は異なるＯ又はＮＨを
表し、ｎは０〜２０の整数を表し、Ｒ2及びＲ2’は、同
一の又は異なる水素、直鎖アルキル基、分枝アルキル
基、シクロアルキル基、不飽和炭化水素基、アリール
基、飽和若しくは不飽和ヘテロ環又はそれらの置換体を
表す。）
【００３６】特に好ましくは、上記繰り返し単位（Ｉ）
中の、ＸがＨ又はＣＨ3を表し；Ｒ1が置換若しくは非置
換アリール基又は−Ｚ−Ｒ2を表し；Ｚが−Ｏ−、−
（Ｃ＝Ｏ）−Ｏ−又は−Ｏ−（Ｃ＝Ｏ）−を表し；そし
てＲ2が直鎖アルキル基、分枝アルキル基、シクロアル
キル基、不飽和炭化水素基、アリール基、飽和若しくは
不飽和ヘテロ環又はそれらの置換体を表すホモポリマー
又はコポリマーを用いることができる。
中の、ＸがＨ又はＣＨ3を表し；Ｒ1が置換若しくは非置
換アリール基又は−Ｚ−Ｒ2を表し；Ｚが−Ｏ−、−
（Ｃ＝Ｏ）−Ｏ−又は−Ｏ−（Ｃ＝Ｏ）−を表し；そし
てＲ2が直鎖アルキル基、分枝アルキル基、シクロアル
キル基、不飽和炭化水素基、アリール基、飽和若しくは
不飽和ヘテロ環又はそれらの置換体を表すホモポリマー
又はコポリマーを用いることができる。
【００３７】更に好ましくは、ポリ（メタクリル酸メチ
ル）；ポリ（メタクリル酸イソデシル）；ポリ（メタク
リル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−スチレン）；ポリ
（メタクリル酸エチルヘキシル）；ポリ（メタクリル酸
メチル−ｃｏ−アクリル酸２−エチルヘキシル）；ポリ
（メタクリル酸メチル−ｃｏ−メタクリル酸２−エチル
ヘキシル）；ポリ（アクリル酸シクロヘキシル）；ポリ
（メタクリル酸ドデシル）；ポリ（プロピオン酸ビニ
ル）；ポリ（メタクリル酸ベンジル−ｃｏ−メタクリル
酸２−エチルヘキシル）；ポリ（メタクリル酸２−エチ
ルヘキシル−ｃｏ−メタクリル酸グリシジル）；ポリ
（メタクリル酸ブチル）；又はポリ（メタクリル酸テト
ラヒドロフリフリル）を用いることができる。
ル）；ポリ（メタクリル酸イソデシル）；ポリ（メタク
リル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−スチレン）；ポリ
（メタクリル酸エチルヘキシル）；ポリ（メタクリル酸
メチル−ｃｏ−アクリル酸２−エチルヘキシル）；ポリ
（メタクリル酸メチル−ｃｏ−メタクリル酸２−エチル
ヘキシル）；ポリ（アクリル酸シクロヘキシル）；ポリ
（メタクリル酸ドデシル）；ポリ（プロピオン酸ビニ
ル）；ポリ（メタクリル酸ベンジル−ｃｏ−メタクリル
酸２−エチルヘキシル）；ポリ（メタクリル酸２−エチ
ルヘキシル−ｃｏ−メタクリル酸グリシジル）；ポリ
（メタクリル酸ブチル）；又はポリ（メタクリル酸テト
ラヒドロフリフリル）を用いることができる。
【００３８】これらに加えて低分子量化合物、例えば、
フタロシアニン類、ポルフィン類、ポルフィリン類、有
機金属錯体、錯化剤（シクロデキストリン類、カリキサ
レン類、クラウンエーテル類及びアザクラウン類のよう
なクラウン化合物）及びクリプタンド類も使用すること
ができる。一方、無機物質としては、例えば金属酸化物
又は硫化物を使用することができる。そのような物質に
は、例えばＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3及びＺｎＳ等が
あり、これらの物質はエアロゲルをはじめとしてその他
種々の形態で使用することができる。
フタロシアニン類、ポルフィン類、ポルフィリン類、有
機金属錯体、錯化剤（シクロデキストリン類、カリキサ
レン類、クラウンエーテル類及びアザクラウン類のよう
なクラウン化合物）及びクリプタンド類も使用すること
ができる。一方、無機物質としては、例えば金属酸化物
又は硫化物を使用することができる。そのような物質に
は、例えばＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3及びＺｎＳ等が
あり、これらの物質はエアロゲルをはじめとしてその他
種々の形態で使用することができる。
【００３９】本発明においては、センサ部材の薄膜は多
層構造としてもよい。例えば、薄膜としてＳｉＯ2層と
有機又は高分子層とを組み合わせたものを使用すること
ができる。有機又は高分子層はＳｉＯ2層上に施され、
化学物質の検知層として機能する。
層構造としてもよい。例えば、薄膜としてＳｉＯ2層と
有機又は高分子層とを組み合わせたものを使用すること
ができる。有機又は高分子層はＳｉＯ2層上に施され、
化学物質の検知層として機能する。
【００４０】薄膜を支持するための基板としては、例え
ば透明ガラス基板又は半導体及び金属のような高反射性
材料を使用することができる。また、基板として、金属
又は半導体フィルムを有するガラス基板又は他の基板も
使用し得る。高反射性材料はガラスよりも反射性が優
れ、その結果より高い感度及び広いダイナミックレンジ
が得られるので、好ましい材料といえる。一方、ガラス
基板のような透明基板を使用することの利点は、基板側
から薄膜に向かって光を入射し得るという点である。そ
の結果、光路を目的検知物から分離することが可能とな
る。このことは、目的検知物が透明でない場合に最も有
効である。
ば透明ガラス基板又は半導体及び金属のような高反射性
材料を使用することができる。また、基板として、金属
又は半導体フィルムを有するガラス基板又は他の基板も
使用し得る。高反射性材料はガラスよりも反射性が優
れ、その結果より高い感度及び広いダイナミックレンジ
が得られるので、好ましい材料といえる。一方、ガラス
基板のような透明基板を使用することの利点は、基板側
から薄膜に向かって光を入射し得るという点である。そ
の結果、光路を目的検知物から分離することが可能とな
る。このことは、目的検知物が透明でない場合に最も有
効である。
【００４１】本発明においては、センサ部材に使用する
薄膜は、公知の如何なる薄膜形成法によっても形成する
ことができる。そのような方法には例えばスピンコーテ
ィング法、薄膜材料を溶媒に溶解してキャスティングす
る方法、気相蒸着法及び他の蒸着法等がある。
薄膜は、公知の如何なる薄膜形成法によっても形成する
ことができる。そのような方法には例えばスピンコーテ
ィング法、薄膜材料を溶媒に溶解してキャスティングす
る方法、気相蒸着法及び他の蒸着法等がある。
【００４２】ある入射角における最適な薄膜の厚みは、
薄膜の屈折率に依存するが、一般に大きなＳ／Ｎ比が得
られるような値とする。より高い感度及び素早い応答時
間を得るためには、薄膜の厚みは好ましくは１μｍ以下
である。
薄膜の屈折率に依存するが、一般に大きなＳ／Ｎ比が得
られるような値とする。より高い感度及び素早い応答時
間を得るためには、薄膜の厚みは好ましくは１μｍ以下
である。
【００４３】本発明のセンサでは、光源や検出器その他
の部材に特別なものを要しないので、構造が非常にシン
プルになると共に、その製造コストも低くすることがで
きる。更に、装置自体も小型のものとなる。また、薄膜
は平坦な基板上に形成されるので、光ファイバーの末端
に薄膜を施すような従来のセンサに比して非常に容易に
製膜することができ、しかも極めて薄い膜を形成するこ
とができる。これは、高い感度と早い応答時間を得るこ
とにつながる。
の部材に特別なものを要しないので、構造が非常にシン
プルになると共に、その製造コストも低くすることがで
きる。更に、装置自体も小型のものとなる。また、薄膜
は平坦な基板上に形成されるので、光ファイバーの末端
に薄膜を施すような従来のセンサに比して非常に容易に
製膜することができ、しかも極めて薄い膜を形成するこ
とができる。これは、高い感度と早い応答時間を得るこ
とにつながる。
【００４４】以下、実施例により本発明を更に詳細に説
明する。
明する。
【００４５】
【実施例１】最適の薄膜厚み及び入射角の決定 図２に示すように、薄膜によって反射した光の強度は、
薄膜の厚みの周期関数となる。基板としてシリコンを用
いた場合には、Ｓ偏光において反射光の強度が最大及び
最小となるための条件は、以下の式で示される： ４ｎｄmｃｏｓθ／λ＝ｍ ｍ＝０，１，２・・・ 式中、ｍが偶数の場合には反射強度が最高となり、ｍが
奇数の場合には反射強度が最低となる。λは用いた光の
波長であり、ｎは薄膜の屈折率であり、θは薄膜中での
光の伝搬角、そしてｄmは薄膜の厚みを表す。
薄膜の厚みの周期関数となる。基板としてシリコンを用
いた場合には、Ｓ偏光において反射光の強度が最大及び
最小となるための条件は、以下の式で示される： ４ｎｄmｃｏｓθ／λ＝ｍ ｍ＝０，１，２・・・ 式中、ｍが偶数の場合には反射強度が最高となり、ｍが
奇数の場合には反射強度が最低となる。λは用いた光の
波長であり、ｎは薄膜の屈折率であり、θは薄膜中での
光の伝搬角、そしてｄmは薄膜の厚みを表す。
【００４６】素早い応答時間を得るためには、薄膜の厚
みは小さいことが好ましい。反射強度が最小となるため
の一次の反射条件は、薄膜の厚みが以下の条件を満たす
場合である： ｄ1＝λ／４ｎｃｏｓθ 薄膜としてポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシル−ｃ
ｏ−スチレン）を用い、入射角を７０°とした場合に
は、屈折率がｎ＝１．５２２なので、薄膜の厚みは１３
２．１ｎｍとなる。
みは小さいことが好ましい。反射強度が最小となるため
の一次の反射条件は、薄膜の厚みが以下の条件を満たす
場合である： ｄ1＝λ／４ｎｃｏｓθ 薄膜としてポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシル−ｃ
ｏ−スチレン）を用い、入射角を７０°とした場合に
は、屈折率がｎ＝１．５２２なので、薄膜の厚みは１３
２．１ｎｍとなる。
【００４７】測定においては、反射率Ｒの変化率（つま
り、δＲ／Ｒ）が感度を決定する。図３は、ポリ（メタ
クリル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−スチレン）薄膜／
シリコン基板から成るセンサ部材を使用した場合の反射
率Ｒ及びδＲ／Ｒの計算値を表したものである。図３か
ら明らかなように、δＲ／Ｒはｄ＝１３５ｎｍにおいて
最高にある。従って、このセンサ部材系においては、薄
膜の厚みを１３５ｎｍにすべきことが分かった。
り、δＲ／Ｒ）が感度を決定する。図３は、ポリ（メタ
クリル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−スチレン）薄膜／
シリコン基板から成るセンサ部材を使用した場合の反射
率Ｒ及びδＲ／Ｒの計算値を表したものである。図３か
ら明らかなように、δＲ／Ｒはｄ＝１３５ｎｍにおいて
最高にある。従って、このセンサ部材系においては、薄
膜の厚みを１３５ｎｍにすべきことが分かった。
【００４８】ポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシル−
ｃｏ−スチレン）薄膜／シリコン基板から成るセンサ部
材における、反射率Ｒと入射角との関係を図４に示す。
図４から明らかなように、入射角が大きい場合には反射
率Ｒの勾配、つまりδＲ／Ｒが大きくなる。しかしなが
ら、感度δＲ／Ｒに関しては、７０°前後の入射角であ
ることが好ましい。
ｃｏ−スチレン）薄膜／シリコン基板から成るセンサ部
材における、反射率Ｒと入射角との関係を図４に示す。
図４から明らかなように、入射角が大きい場合には反射
率Ｒの勾配、つまりδＲ／Ｒが大きくなる。しかしなが
ら、感度δＲ／Ｒに関しては、７０°前後の入射角であ
ることが好ましい。
【００４９】
【実施例２】ＩＥＲの測定 室温下、図１に示す測定装置を使用して行った。Ｓ偏光
したＨｅ−Ｎｅレーザー光をビームスプリッタを用いて
参照光と信号光とに分割した。レーザー光の波長は６３
２．８ｎｍであった。信号光はセンサ部材の薄膜に入射
するようにした。参照光は参照光用光検出器にて電気信
号ＩRに変換された。一方、信号光はセンサ部材で反射
した後に信号光用光検出器にて電気信号ＩSに変換され
た。各電気信号は、電子回路によって比較され、その結
果がパーソナルコンピュータによって出力された。
したＨｅ−Ｎｅレーザー光をビームスプリッタを用いて
参照光と信号光とに分割した。レーザー光の波長は６３
２．８ｎｍであった。信号光はセンサ部材の薄膜に入射
するようにした。参照光は参照光用光検出器にて電気信
号ＩRに変換された。一方、信号光はセンサ部材で反射
した後に信号光用光検出器にて電気信号ＩSに変換され
た。各電気信号は、電子回路によって比較され、その結
果がパーソナルコンピュータによって出力された。
【００５０】センサ部材は、ポリ（メタクリル酸ドデシ
ル）の薄膜及びシリコン基板から成っていた。ポリ（メ
タクリル酸ドデシル）をシクロヘキサノンに溶解し、１
０重量％の溶液となし、該溶液をシリコン基板上にスピ
ンコーティングした。シリコン基板の回転数をかえるこ
とによって種々の濃厚の薄膜を作製した。このようにし
て得られた薄膜を真空乾燥炉にて、そのガラス転移温度
近傍で乾燥せしめた。薄膜の厚みを触針法を用いてＤＥ
ＫＴＡＫ社の３０３０ＳＴ表面テクスチャー分析システ
ムによって測定した。それぞれの薄膜の厚みは、約１０
０〜３００ｎｍの範囲であった。
ル）の薄膜及びシリコン基板から成っていた。ポリ（メ
タクリル酸ドデシル）をシクロヘキサノンに溶解し、１
０重量％の溶液となし、該溶液をシリコン基板上にスピ
ンコーティングした。シリコン基板の回転数をかえるこ
とによって種々の濃厚の薄膜を作製した。このようにし
て得られた薄膜を真空乾燥炉にて、そのガラス転移温度
近傍で乾燥せしめた。薄膜の厚みを触針法を用いてＤＥ
ＫＴＡＫ社の３０３０ＳＴ表面テクスチャー分析システ
ムによって測定した。それぞれの薄膜の厚みは、約１０
０〜３００ｎｍの範囲であった。
【００５１】ＩＥＲ測定に際しては、センサ部材をフロ
ーセル中に設置した。該フローセルには、気体若しくは
蒸気又は液体を流通せしめることが可能である。レーザ
ー光の入射角は、薄膜の厚みに応じて５６°〜７０°の
間に設定した。
ーセル中に設置した。該フローセルには、気体若しくは
蒸気又は液体を流通せしめることが可能である。レーザ
ー光の入射角は、薄膜の厚みに応じて５６°〜７０°の
間に設定した。
【００５２】図５は、フローセル中にヘキサン、メタノ
ール、エタノール及び水の蒸気を流通せしめた場合のＩ
ＥＲ測定の結果を表したものである。薄膜の厚みは１３
０ｎｍであった。また、レーザー光の入射角は７０°で
あった。この結果から明らかなように、ポリ（メタクリ
ル酸ドデシル）の薄膜は、ヘキサンに対して非常に高い
感度で応答するが、メタノール及びエタノールに対して
の感度は低い。しかも、水に対してはほとんど感度を示
さなかった。
ール、エタノール及び水の蒸気を流通せしめた場合のＩ
ＥＲ測定の結果を表したものである。薄膜の厚みは１３
０ｎｍであった。また、レーザー光の入射角は７０°で
あった。この結果から明らかなように、ポリ（メタクリ
ル酸ドデシル）の薄膜は、ヘキサンに対して非常に高い
感度で応答するが、メタノール及びエタノールに対して
の感度は低い。しかも、水に対してはほとんど感度を示
さなかった。
【００５３】更に、ポリ（メタクリル酸ドデシル）の薄
膜は、ヘキサンに対して非常に早く応答することも分か
る。本実施例においては、データのサンプリングは１秒
毎でった。従って、１サンプリング、つまり１秒で反射
強度の相対変化が１２４％であるということから、本発
明のセンサが非常に早い応答時間を有していることが分
かる。
膜は、ヘキサンに対して非常に早く応答することも分か
る。本実施例においては、データのサンプリングは１秒
毎でった。従って、１サンプリング、つまり１秒で反射
強度の相対変化が１２４％であるということから、本発
明のセンサが非常に早い応答時間を有していることが分
かる。
【００５４】
【実施例３】異種薄膜を用いての異種蒸気の検知 種々のポリマーから薄膜を形成し、本発明のセンサ部材
となした。使用したポリマーは、ポリ（ビニルピロリド
ン）（ＰＶＰ）、ポリ（プロピオン酸ビニル）（ＰＶＰ
ｒ）、ポリ（酢酸ビニル）（ＰＶＡｃ）、ポリスチレン
（ＰＳｔ）、ポリ（メタクリル酸ドデシル）（ＰＤＤＭ
Ａ）、ポリ（メタクリル酸ブチル）（ＰＢＭＡ）であっ
た。
となした。使用したポリマーは、ポリ（ビニルピロリド
ン）（ＰＶＰ）、ポリ（プロピオン酸ビニル）（ＰＶＰ
ｒ）、ポリ（酢酸ビニル）（ＰＶＡｃ）、ポリスチレン
（ＰＳｔ）、ポリ（メタクリル酸ドデシル）（ＰＤＤＭ
Ａ）、ポリ（メタクリル酸ブチル）（ＰＢＭＡ）であっ
た。
【００５５】これらのポリマーを適切な溶媒、例えばシ
クロヘキサノンに溶解し５〜１０重量％の溶液となし
た。該溶液をシリコン基板上にスピンコーティングして
薄膜を得た。次いで、これを真空乾燥炉にて、そのガラ
ス転移温度近傍で約１．５時間乾燥せしめた。得られた
薄膜の厚みは、実施例２と同様の方法によって測定し
た。検知感度を向上せしめるためには、薄膜の厚みは１
μｍ以下であるべきであり、本実施例の場合には薄膜の
厚みは１３５ｎｍであった。
クロヘキサノンに溶解し５〜１０重量％の溶液となし
た。該溶液をシリコン基板上にスピンコーティングして
薄膜を得た。次いで、これを真空乾燥炉にて、そのガラ
ス転移温度近傍で約１．５時間乾燥せしめた。得られた
薄膜の厚みは、実施例２と同様の方法によって測定し
た。検知感度を向上せしめるためには、薄膜の厚みは１
μｍ以下であるべきであり、本実施例の場合には薄膜の
厚みは１３５ｎｍであった。
【００５６】ＩＥＲ法の測定中は、センサ部材をフロー
セル中に設置した。フローセルには、空気又は窒素と共
に種々の炭化水素類を導入せしめることができる。それ
らの蒸気は、液体の炭化水素類の中に空気又は窒素をバ
ブリングすることによって得た。本実施例において使用
した炭化水素類はトルエン、ヘキサン、メタノール及び
エタノールであった。更には水も用いた。
セル中に設置した。フローセルには、空気又は窒素と共
に種々の炭化水素類を導入せしめることができる。それ
らの蒸気は、液体の炭化水素類の中に空気又は窒素をバ
ブリングすることによって得た。本実施例において使用
した炭化水素類はトルエン、ヘキサン、メタノール及び
エタノールであった。更には水も用いた。
【００５７】Ｈｅ−Ｎｅレーザー光（波長：６３２．８
ｎｍ）を、入射角７０°で薄膜に照射した。このレーザ
ー光は入射面に対して直角の方向に線形に偏光してい
た。反射光の強度を光検出器でモニターした。光検出器
の出力をチャート・レコーダー及びパーソナルコンピュ
ータ（Ｃｏｍｐａｑ ３８６ ＰＣ）に記録した。
ｎｍ）を、入射角７０°で薄膜に照射した。このレーザ
ー光は入射面に対して直角の方向に線形に偏光してい
た。反射光の強度を光検出器でモニターした。光検出器
の出力をチャート・レコーダー及びパーソナルコンピュ
ータ（Ｃｏｍｐａｑ ３８６ ＰＣ）に記録した。
【００５８】測定結果を表１に示す。表１における感度
は、反射光の強度の変化を反射光の強度の絶対値で除し
たものを百分率で表したものである。表１から明らかな
ように、薄膜の種類及び炭化水素の種類によって測定感
度が相違した。
は、反射光の強度の変化を反射光の強度の絶対値で除し
たものを百分率で表したものである。表１から明らかな
ように、薄膜の種類及び炭化水素の種類によって測定感
度が相違した。
【００５９】
【表１】
【００６０】
【実施例４】複数のセンサを用いた異種物質の検知 複数の又は一連のセンサ部材を用いることによって、異
種物質を区別したり、同時に検知することができる。
種物質を区別したり、同時に検知することができる。
【００６１】実施例３における表１の結果から明らかな
ように、ＰＶＰ薄膜はトルエン及び水に対して感度が高
いが、ヘキサンに対しては感度が低い。一方、ＰＤＤＭ
Ａ薄膜はトルエン及びヘキサンに対して感度が高いが、
水に対してはほとんど感度を示さない。それ故、これら
の薄膜を個々に使用したのでは、それぞれの物質を区別
して検知することは容易ではない。本実施例では、同一
のシリコン基板上にＰＶＰとＰＤＤＭＡの薄膜を形成
し、室温下、反射光を２チャンネルとしてそれぞれのチ
ャンネル毎に独立に測定し、両者を比較することによっ
て、トルエン、ヘキサン及び水を同時に同定することが
できた。
ように、ＰＶＰ薄膜はトルエン及び水に対して感度が高
いが、ヘキサンに対しては感度が低い。一方、ＰＤＤＭ
Ａ薄膜はトルエン及びヘキサンに対して感度が高いが、
水に対してはほとんど感度を示さない。それ故、これら
の薄膜を個々に使用したのでは、それぞれの物質を区別
して検知することは容易ではない。本実施例では、同一
のシリコン基板上にＰＶＰとＰＤＤＭＡの薄膜を形成
し、室温下、反射光を２チャンネルとしてそれぞれのチ
ャンネル毎に独立に測定し、両者を比較することによっ
て、トルエン、ヘキサン及び水を同時に同定することが
できた。
【００６２】
【実施例５】ガソリン及びディーゼルオイルの検知 実施例３と同様の装置を用いて、ガソリン及びディーゼ
ルオイルの検知をした。センサ部材は、ポリ（メタクリ
ル酸メチルーｃｏ−メタクリル酸ブチル）の薄膜及びシ
リコン基板から成っていた。ポリ（メタクリル酸メチル
ーｃｏ−メタクリル酸ブチル）をシクロヘキサノンに溶
解し１０重量％の溶液となし、該溶液をシリコン基板上
にスピンコーティングして薄膜を得た。薄膜の厚みは１
３１ｎｍであった。またＨｅ−Ｎｅレーザー光の入射角
は７０°であった。その結果を図６に示す。
ルオイルの検知をした。センサ部材は、ポリ（メタクリ
ル酸メチルーｃｏ−メタクリル酸ブチル）の薄膜及びシ
リコン基板から成っていた。ポリ（メタクリル酸メチル
ーｃｏ−メタクリル酸ブチル）をシクロヘキサノンに溶
解し１０重量％の溶液となし、該溶液をシリコン基板上
にスピンコーティングして薄膜を得た。薄膜の厚みは１
３１ｎｍであった。またＨｅ−Ｎｅレーザー光の入射角
は７０°であった。その結果を図６に示す。
【００６３】図６から明らかなように、ポリ（メタクリ
ル酸メチルーｃｏ−メタクリル酸ブチル）の薄膜は、ガ
ソリンに対しての感度は高いが、ディーゼルオイルに対
しての感度は非常に低い。従って、かかる薄膜を使用す
ることにより、ガソリンとディーゼルオイルとを区別し
て検知することが可能である。
ル酸メチルーｃｏ−メタクリル酸ブチル）の薄膜は、ガ
ソリンに対しての感度は高いが、ディーゼルオイルに対
しての感度は非常に低い。従って、かかる薄膜を使用す
ることにより、ガソリンとディーゼルオイルとを区別し
て検知することが可能である。
【００６４】
【実施例６】フォトリフレクターを用いたガソリン及びディーゼルオ
イルの検知 図７にフォトリフレクターを用いたセンサの検出系の配
置を示す。スピンコーティングによりポリ（メタクリル
酸ベンジル−ｃｏ−メタクリル酸２−エチルヘキシル）
のフィルムをシリコン基板上に形成した。このポリマー
フィルムの厚みは４２０ｎｍであり、屈折率は１．５３
であった。このポリマーフィルム被覆シリコン基板を浜
松ホトニクス社製フォトリフレクターＰ２８２６の前面
に配置した。両者の間隔は３ｍｍであった。発光ダイオ
ードより発せられた光はポリマーフィルムに反射し、フ
ォトリフレクターＰ２８２６中のフォトトランジスタに
より検出される。フォトリフレクターＰ２８２６の光源
は、ガリウム−砒素発光ダイオードで、ピーク波長は約
９４０ｎｍであり、半値幅は５０ｎｍであった。また、
フォトリフレクターＰ２８２６の光検出器はシリコンフ
ォトトランジスターであった。
イルの検知 図７にフォトリフレクターを用いたセンサの検出系の配
置を示す。スピンコーティングによりポリ（メタクリル
酸ベンジル−ｃｏ−メタクリル酸２−エチルヘキシル）
のフィルムをシリコン基板上に形成した。このポリマー
フィルムの厚みは４２０ｎｍであり、屈折率は１．５３
であった。このポリマーフィルム被覆シリコン基板を浜
松ホトニクス社製フォトリフレクターＰ２８２６の前面
に配置した。両者の間隔は３ｍｍであった。発光ダイオ
ードより発せられた光はポリマーフィルムに反射し、フ
ォトリフレクターＰ２８２６中のフォトトランジスタに
より検出される。フォトリフレクターＰ２８２６の光源
は、ガリウム−砒素発光ダイオードで、ピーク波長は約
９４０ｎｍであり、半値幅は５０ｎｍであった。また、
フォトリフレクターＰ２８２６の光検出器はシリコンフ
ォトトランジスターであった。
【００６５】フォトリフレクターとポリマーフィルム被
覆シリコン基板との間にそれぞれガソリン及びディーゼ
ルオイルの蒸気を流した場合の出力信号を、図８に示
す。
覆シリコン基板との間にそれぞれガソリン及びディーゼ
ルオイルの蒸気を流した場合の出力信号を、図８に示
す。
【００６６】図８から明らかなように、（メタクリル酸
ベンジル−ｃｏ−メタクリル酸２−エチルヘキシル）の
薄膜は、ディーゼルオイルに対しての感度は低いが、ガ
ソリンに対しての感度は高い。従って、かかる薄膜を使
用することにより、ガソリンとディーゼルオイルとを区
別して検知することが可能である。
ベンジル−ｃｏ−メタクリル酸２−エチルヘキシル）の
薄膜は、ディーゼルオイルに対しての感度は低いが、ガ
ソリンに対しての感度は高い。従って、かかる薄膜を使
用することにより、ガソリンとディーゼルオイルとを区
別して検知することが可能である。
【図１】ＩＥＲ測定装置を表す図である。
【図２】Ｓ偏光およびＰ偏光に対する反射率と薄膜の厚
みとの関係を表す図である。
みとの関係を表す図である。
【図３】反射率及び反射率の変化率と薄膜の厚みとの関
係を表す図である。
係を表す図である。
【図４】種々の入射角に対する反射率と薄膜の厚みとの
関係を表す図である。
関係を表す図である。
【図５】ポリメタクリル酸ドデシルの薄膜を用いた場合
の、各種物質の感度を表した図である。
の、各種物質の感度を表した図である。
【図６】ポリ（メタクリル酸メチルーｃｏ−メタクリル
酸ブチル）の薄膜を用いた場合の、ガソリン及びディー
ゼルオイルの感度を表した図である。
酸ブチル）の薄膜を用いた場合の、ガソリン及びディー
ゼルオイルの感度を表した図である。
【図７】フォトリフレクターを用いた装置を表す図であ
る。
る。
【図８】ポリ（メタクリル酸ベンジル−ｃｏ−メタクリ
ル酸２−エチルヘキシル）の薄膜を用いた場合の、ガソ
リン及びディーゼルオイルの感度を表した図である。
ル酸２−エチルヘキシル）の薄膜を用いた場合の、ガソ
リン及びディーゼルオイルの感度を表した図である。
１ センサ部材 ２ 光源 ３ ビームスプリッタ ４ 偏光子 ５ 参照光用光路 ６ 参照光用光検出器 ７ 薄膜 ８ 基板 ９ 信号光用検出器 １０ 電子回路 １１ 記録手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴェルナール・プラス ドイツ連邦共和国55128 マインツ，バ ーンシュトラーセ 19 (72)発明者 小倉 静雄 埼玉県鶴ヶ島市大字脚折1384−123 (72)発明者 本杉 賢司 埼玉県川越市脇田新町13−５ シャト ル・ブラウン202号室 (72)発明者 常田 明彦 埼玉県川越市伊勢原町３−１−117 (72)発明者 山本 哲 埼玉県川越市大字豊田本1982−11 ハッ ピーハイツ201 (56)参考文献 特開 昭63−109304（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−114107（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−39744（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−234138（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/75 G01N 21/41
Claims (8)
- 【請求項１】 平坦な反射用基板及び該基板上にある一
又はそれ以上の透明な有機若しくは無機薄膜又は高分子
薄膜を含んでなるセンサ部材であって、前記薄膜は、検
知すべき化学物質と反応又は該化学物質を吸収若しくは
吸着するものである前記センサ部材と、 前記反応、吸収又は吸着により生じる、薄膜の膨潤の変
化、或いは薄膜の厚み若しくは屈折率又はその双方の変
化による前記センサ部材の反射特性の変化を測定する測
定手段と、 を含む気体又は液体の化学物質検知用光学センサ。 - 【請求項２】 化学物質との反応又は化学物質を吸収若
しくは吸着することによって生ずる薄膜の厚みと屈折率
との積の変化を検知する測定手段を含んでなる、請求項
１に記載の光学センサ。 - 【請求項３】 反射光の強度の関数として化学物質の存
否及び／又は量を検知する測定手段を含んでなる、請求
項１に記載の光学センサ。 - 【請求項４】 薄膜の膨潤の変化、或いは薄膜の厚み若
しくは屈折率又はその双方の変化による反射光の強度又
は応答時間の変化を測定することにより、異種の化学物
質を区別する測定手段を含んでなる、請求項１に記載の
光学センサ。 - 【請求項５】 センサ部材、光源、偏光子、参照光用光
路及び信号光用光路、光検出器並びに電子回路を含んで
なる、請求項１に記載の光学センサ。 - 【請求項６】 センサ部材、光源と光検出器とが一体化
された集積素子、及び電子回路を含んでなる、請求項１
に記載の光学センサ。 - 【請求項７】 異種の化学物質を同時に検知し且つ同定
するための、同一又は異なる種類の一連のセンサ部材を
含んでなる、請求項１に記載の光学センサ。 - 【請求項８】 有毒性、燃焼性又は引火性のガス、蒸気
又は溶剤の存在を検知するための請求項１乃至請求項７
のいずれか１項に記載の光学センサ、警報機及び／又は
スイッチ又はパイプラインをオン−オフする手段を含む
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5265265A JP3001357B2 (ja) | 1992-11-17 | 1993-10-22 | 化学物質検知用光学センサ |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4-307291 | 1992-11-17 | ||
| JP30729192 | 1992-11-17 | ||
| JP5265265A JP3001357B2 (ja) | 1992-11-17 | 1993-10-22 | 化学物質検知用光学センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06222006A JPH06222006A (ja) | 1994-08-12 |
| JP3001357B2 true JP3001357B2 (ja) | 2000-01-24 |
Family
ID=26546904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5265265A Expired - Lifetime JP3001357B2 (ja) | 1992-11-17 | 1993-10-22 | 化学物質検知用光学センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3001357B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200022586A (ko) * | 2018-08-23 | 2020-03-04 | 광주과학기술원 | 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법 |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AT403746B (de) * | 1994-04-12 | 1998-05-25 | Avl Verbrennungskraft Messtech | Optochemischer sensor sowie verfahren zu seiner herstellung |
| JP4543164B2 (ja) * | 2003-11-06 | 2010-09-15 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 物質の収着により色が変化する構造性変色材 |
| JP4135670B2 (ja) * | 2004-04-12 | 2008-08-20 | 日立電線株式会社 | 光式ガスセンサ |
| US20090301191A1 (en) * | 2004-12-22 | 2009-12-10 | Sud-Chemie Ag | Device for detecting at least one chemical constituent |
| JP2014508921A (ja) * | 2011-01-31 | 2014-04-10 | ビアメトリクス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 複数の波長の光を用いて薄膜層における強度を同時に測定することによって光学特性を決定する方法及び装置 |
| JP6538758B2 (ja) * | 2017-06-07 | 2019-07-03 | ビアメトリクス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＢｉａｍｅｔｒｉｃｓ ＧｍｂＨ | 複数の波長の光を用いて薄膜層における強度を同時に測定することによって光学特性を決定する方法及び装置 |
| JP7234838B2 (ja) * | 2019-07-12 | 2023-03-08 | 日新電機株式会社 | 塵埃堆積検知装置 |
| CN110849937A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-28 | 北京科技大学 | 一种高通量表征成分梯度薄膜抗辐照性能的方法 |
-
1993
- 1993-10-22 JP JP5265265A patent/JP3001357B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200022586A (ko) * | 2018-08-23 | 2020-03-04 | 광주과학기술원 | 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법 |
| KR102185557B1 (ko) | 2018-08-23 | 2020-12-02 | 광주과학기술원 | 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06222006A (ja) | 1994-08-12 |
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