JPH04285844A - 物質検出用センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学的手段で物質を検
出するためのセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】西ドイツ国特許出願公開第３８３２１８
５号明細書による湿度センサは、干渉計における境界層
の湿分に依存した屈折率変化を利用する。湿分に敏感な
層は多孔性レフレクタの間に配置されている。

【０００３】米国特許第４７１２８６５号明細書から、
光ファイバーガスセンサにおけるポリシロキサンの使用
が公知であるが、センサの構成については記載されてい
ない。

【０００４】集積光学的マッハ・ツェンダー干渉計は、
　Ｒｏｓｓ　Ｌ．著，ＧｌａｓｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅＢ
ｅｒｉｃｈｔｅ　６２　（１９８９年）　Ｎｏ．８　，
２８５頁から公知である。

【０００５】Ｄａｋｉｎ　Ｊ，Ｃｕｌｓｈａｗ　Ｂ．著
、“Ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｎｓｏｒｓ；
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，
Ａｒｔｅｃｈ　Ｈｏｕｓｅ，Ｂｏｓｔｏｎ，Ｌｏｎｄｏ
ｎ　１９８７　から、水素センサとしてスーパーストレ
ート層のないマッハ・ツェンダー干渉計の使用が公知で
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、集積
光学を使用して、コンパクトで、丈夫で、かつ経済的に
，多くの実施態様で、具体的な測定課題に適合させて製
造することができ、かつ短い応答時間および少ないヒス
テリシスを示す物質検出用センサを提供することであっ
た。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題は、本発明によ
り、導波体サブストレートに内に測定アームと比較アー
ムを有する集積光学干渉計からなり、導波体の測定アー
ムの領域に、スーパーストレートとして、検出すべき物
質が透過することができるポリマーが塗布されているこ
とにより解決される。

【０００８】本発明の有利な構成は請求項２〜４に記載
されている。

【０００９】そのなかで特に、検出可能の物質を個々に
調整するために変更可能なパラメータ：ポリマーの官能
基（請求項３）および発色団または螢光団の埋め込み（
請求項４）が存在する。

【００１０】ポリマーの層厚と測定アーム上のスーパー
ストレートの長さも重要なパラメータである。

【００１１】その際、検出すべき物質は２つのメカニズ
ムにより、測定アームにおける光の拡散の変化を引き起
こす。一方では、スーパーストレートの屈折率の変化に
より、他方では、光源による層厚の変化による。特に後
者は、全反射において光波がなお周囲空気にまで透過す
る、きわめて薄いポリマー層において行われる。

【００１２】

【実施例】以下図面により本発明を詳細に説明する。

【００１３】図１は、ガラス基板上に実現された、測定
アーム１１および比較アーム１２を有する集積光学マッ
ハ・ツェンダー干渉計１を示す。測定アーム１１には、
スーパーストレート１１１としてポリマー層が施されて
いる。該ポリマー層に、任意の方法でその物質含量を検
出すべきガス、蒸気または液体を衝突させることができ
る。

【００１４】レーザーまたはスペクトルランプであって
もよい光源２、対物レンズ３および必要な場合は光ファ
イバ４を通って、干渉計１が照射される。

【００１５】干渉計１の出力部から干渉した光が、第２
の光導波体５を介して検出器６に導かれる。信号導線７
は、該検出器を適当なソフトウェアを有する標準パーソ
ナルコンピュータである評価装置８と接続する。測定装
置８は主に測定曲線を記録するために、場合により既知
の測定曲線とパターン比較するために役立つ。

【００１６】マッハ・ツェンダー干渉計１は、イオン交
換によりフォトリソグラフィック法を使用してガラスサ
ブストレート内に製造されている。両方の干渉計アーム
１１および１２の導波体は直径約１ｍｍ、間隔５μｍを
有し、かつその都度の正確な組成に応じて屈折率ｎＤ＝
１．４８〜１．５１を有する。

【００１７】単色測定のためには、光源２として０．５
ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザー（λ＝６３２．８ｎｍ）を使
用し、該レーザーは対物レンズ３（ｆ＝５ｃｍ）を介し
て、光ファイバー４を使用せずに、直接、干渉計モジュ
ール１に入力結合される。光ファイバーに対する公知の
正確な調整手段により、干渉計１の出力部に８μｍの単
一モード光ファイバー５を配向し、該光ファイバーは干
渉した光を検出器（フォトダイオード）６に導く。

【００１８】センサへの蒸気の供給は、たとえば測定ア
ーム１１の上に気密に配置された管片により行い、該管
にポンプにより気化する液体によって吸入された空気を
供給する。適当な測定例のためには、このような装置を
使用した。液体を経る供給の投入からセンサの表示の開
始までに、供給路内の空気の排除が必要であるために約
２０秒の時間的遅延が生じ、このことは新鮮な空気供給
に切り換える際にも生じる。

【００１９】干渉計１の測定アーム１１上のスーパース
トレート１１１のためのポリマーとしては、図示の測定
例（図２〜図９）では、Ｗａｃｋｅｒ　Ｃｈｅｍｉｅ社
の光重合可能なポリシロキサン　ＶＰ　１５２９を使用
した。該ポリシロキサンは、網状結合後屈折率ｎＤ＝１
．４０９を有する、従ってｎＤ≒１．３９〜１．４２を
有する他のポリシロキサンと同様に、導波体境界層での
全反射の条件を満足する。スーパーストレートの屈折率
は、導波体の屈折率より小さくなければならない。液状
の前生成物は良好に取り扱い可能であり、薄い層の形で
ガラスの上に良好な付着力を持って塗布することができ
る。ポリシロキサンは、酸、アルカリ液、およびハロゲ
ン化された炭化水素を除く多くの有機溶剤に対して安定
である。

【００２０】ガス透過性はナイロンまたはブチルゴムの
透過性より約１００倍大きい。

【００２１】ＶＰ　１５２９は、末端基としてアクリル
、側鎖基としてビニル、メルカプトプロピルおよび水素
原子を有する。

【００２２】ＶＰ　１５２９は炭化水素を供給すると著
しい膨張を示し、該膨張はその程度が物質に依存して著
しく変動する。

【００２３】ポリシロキサン層は、フォトリソグラフィ
の公知技術を使用して選択的に測定アーム１１に塗布す
ることができる。

【００２４】しかしながら全く簡単には、測定アーム１
１を下に保持し、ポリシロキサンを滴下することもでき
る。

【００２５】１μｍ未満の層厚も、ポリシロキサンをた
とえば水の上に広げ、干渉計１をステップモータで駆動
される昇降装置で測定アーム１１と一緒に浸漬し、次い
で薄いポリマーフィルムを持ち上げることにより簡単に
得られる。

【００２６】第１表は、図２〜図９にもとづく測定のた
めに使用したｎ−アルカンおよび若干の比較物質に関し
て、この場合重要な若干の物質特性、すなわち屈折率ｎ
Ｄ、蒸気圧ｐ（標準状態での）、およびＶＰ　１５２９
ポリシロキサンを衝突させた際の、ｎ−ヘプタンに対す
る相対膨張率を示す。

【００２７】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　第１表炭化水素　　　　　　　　　　屈折率
，ｎＤ　　　　　　　　　　蒸気圧，トル　　　　　　
　　膨張率（％）　　　　　　　　　　　　　　　　５
３２ｎｍにおいて　　　　　　　　　　２２℃において
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　ｎ−ペンタン　　　　１．３５
７４８　　　　　　　　　　　　　　　　　　４５０　
　　　　　　　　　　　　　　　　　１５ｎ−ヘキサン
　　　　１．３７４８６　　　　　　　　　　　　　　
　　　　１６０　　　　　　　　　　　　　　　　　　
３３ｎ−ヘプタン　　　　１．３８７６４　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　４０　　　　　　　　　　
　　　　　　　１００ｎ−オクタン　　　　１．３９７
４３　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１２　　
　　　　　　　　　　　　　　　１８２イソオクタン　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　６
６ｍ−キシレン　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　５０２ＶＰ　１５２９　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ポリ
シロキサン　　１．４０７７２　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　ペンタンからオクタンに向かって、ポリシロキ
サンに対する屈折率の差が減少する。このことから干渉
計１における光信号の変調はこの順序で小さくならねば
ならなかった。

【００２８】しかしながら、大きな分子のより多くの挿
入、ひいては光学的効果の強化は、分子量とともに低下
する蒸気圧および上昇する膨張率に相当する。

【００２９】該例は、種々の蒸気に関する膨張率の広い
幅を示し、該幅はきわめて類似した物質、たとえばｎ−
ヘプタン、ｎ−オクタンおよびイソオクタンに関しても
非常に異なることがあり得る。

【００３０】総括すれば、干渉計１の測定アーム１１に
おける実際の光速度の物質に依存する影響のきわめて異
なる像が生じる。これは、物質固有の解釈の基礎である
。

【００３１】図２〜図５は、干渉計１の測定アーム１１
上のスーパーストレート１１１として、厚さ１．６μｍ
および長さ１６．１ｍｍの硬化したＶＰ　１５２９　ポ
リシロキサン層で吸収した、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサ
ン、ｎ−ヘプタンおよびｎ−オクタンの測定例を示す。

【００３２】それぞれ０．７５分後に蒸気供給を開始し
、その１分後再び遮断した。

【００３３】ｎ−ペンタン（図２）の場合には検出器６
での光強度は蒸気供給の際にノイズから著しく際立って
いないが、ｎ−ヘキサン（図３）およびｎ−ヘプタン（
図４）の場合には明らかな干渉現象が認められる。特性
曲線の勾配は異なっており、これは恐らくポリシロキサ
ンとアルカンとの異なる速度の飽和、もしくは蒸気供給
終了後の異なる速度の析出に十分に起因する。

【００３４】ｎ−オクタン（図５）の場合には、重要な
信号は認められない。

【００３５】従って、前記センサは非常に類似した物質
に関しても全く異なる干渉効果を示すことが明らかであ
り、このことは物質固有の解釈に利用できる。

【００３６】図６〜図９は、網状結合していない、厚さ
わずか４００ｎｍおよび長さ１３．１５ｍｍのＶＰ　１
５２９　ポリシロキサン層で吸収した図２〜図５と同じ
物質の測定例を示す。図２〜図５に比して明らかに異な
る像が示される。

【００３７】図６では、ｎ−ペンタンは今や強度の信号
を示し、該信号は蒸気供給の開始と終了にそれぞれ最大
を示す。これは干渉最大の超過に起因する。ｎ−ヘキサ
ン（図７）の影響はこの場合も著しい、従って該信号は
両極端の間で更に低下する。ｎ−ヘプタン（図８）は干
渉最大に達しない。該信号の勾配は図４の例よりも急峻
である。ｎ−オクタン（図９）の場合には、確かに弱い
が、明らかに認識できる信号が生ずる。

【００３８】網状結合しないと、ＶＰ　１５２９　ポリ
シロキサンの蒸気吸収は比較的多い、このことが干渉効
果を強化する。しかしまた、スーパーストレート１１１
の長さおよび厚さは図２〜図５に比して変化している、
その結果異なるパラメータの影響が重なる。

【００３９】１つのサブストレートに２個のマッハ・ツ
ェンダー干渉計１を収容し、これらの２つの例にもとづ
きその測定アーム１１をそれぞれスーパーストレート１
１１で被覆すると、組合わされた測定結果からすでに明
らかに、センサに未知で供給されるｎ−ペンタンからｎ
−オクタンまでの群からなるアルカンの選択を行うこと
ができる。

【００４０】１つのサブストレート（チップ）上の多数
の干渉計１および最適な層変化により、物質同定をなお
著しく拡大することができる。このことは更に、公知の
パターン認識法を使用して自動化可能である。図６〜図
９での測定例においては、スーパーストレート１１１の
層厚はレーザー波長６３２ｎｍより少ない４００ｎｍで
ある。従って、導波体／スーパーストレート境界面での
全反射においては、光波の重要な部分がなおスーパース
トレート／空気および蒸気境界面を貫通する。それとと
もにこの境界層の位置および空気／蒸気混合物の物質組
成も、それに関するマッハ・ツェンダー干渉計１におけ
る光の拡散および干渉に影響を与える。従って、まさに
ポリシロキサンの明らかなかつ物質に固有の膨張のため
に、非常に薄い層が有利である。

【００４１】図示されたセンサを用いて物質の同定のた
めに利用することができる他のパラメータは、拡散、す
なわち屈折率の波長依存性である。

【００４２】他の同じ実験構造（図１）におけるレーザ
ー波長の変化により、多くの異なる測定値が得られ、パ
ターン認識法によりこの値を公知測定結果と比較するこ
とができ、物質の同定に利用することができる。

【００４３】検出器６として連続スペクトルまたは線ス
ペクトルを有する多色光源２およびダイオード系列分光
器を使用する場合は、全部の測定を同時に実施すること
ができる。その際、ランプ光を入力結合するために、有
利には光導体ファイバー４を使用する。

【００４４】該センサの使用は、記載のアルカンの例に
限定されない。特に炭化水素、酸素含有のものおよびハ
ロゲン化されたものも、ポリシロキサンおよび他のポリ
マーによって良好に記録され、更に干渉分析法により検
出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】照明装置、検出装置および評価装置を含む本発
明にもとづくセンサの略示構成図である。

【図２】ｎ−ペンタン蒸気流を導入および遮断した際の
検出器における時間的相対的強度変化を示す図である。

【図３】ｎ−ヘキサンに関する、図２に相当する図であ
る。

【図４】ｎ−ヘプタンに関する、図２に相当する図であ
る。

【図５】ｎ−オクタンに関する、図２に相当する図であ
る。

【図６】ｎ−ペンタンに関する、図２に相当する、但し
網状結合しないポリマー前生成物を使用した際の図であ
る。

【図７】ｎ−ヘキサンに関する、図６の相当する図であ
る。

【図８】ｎ−ヘプタンに関する、図６の相当する図であ
る。

【図９】ｎ−オクタンに関する、図６の相当する図であ
る。

【符号の説明】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　導波体サブストレート内に測定アーム
   （１１）と比較アーム（１２）を有する集積光学干渉計
   （１）からなり、導波体の測定アーム（１１）の領域に
   、スーパーストレート（１１１）として、検出すべき物
   質が透過することができるポリマーが塗布されている物
   質検出用センサ。
2. 【請求項２】　　ポリマーがポリシロキサンである請求
   項１記載の物質検出用センサ。
3. 【請求項３】　　ポリシロキサンが官能基としてビニル
   および／またはメルカプトプロピル、アクリル、フェニ
   ル、メチルまたは水素原子を有する請求項２記載の物質
   検出用センサ。
4. 【請求項４】　　ポリマースーパーストレート（１１１
   ）に発色団または螢光団が埋め込まれている請求項１か
   ら３までのいずれか１項記載の物質検出用センサ。