WO2020021153A1 - Sensor de humedad - Google Patents

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WO2020021153A1
WO2020021153A1 PCT/ES2019/070531 ES2019070531W WO2020021153A1 WO 2020021153 A1 WO2020021153 A1 WO 2020021153A1 ES 2019070531 W ES2019070531 W ES 2019070531W WO 2020021153 A1 WO2020021153 A1 WO 2020021153A1
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opal
spheres
sensor according
moisture sensor
responsive element
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PCT/ES2019/070531
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Inventor
Álvaro BLANCO MONTES
Miguel Ángel FERNÁNDEZ MORALES
Francisco GALLEGO GÓMEZ
Ceferino López Fernández
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Definitions

  • the object of the invention is framed in the technical field of physics.
  • the object of the invention is directed to a humidity sensor that makes use of optical means to determine and / or quantify the degree of humidity in the environment in which it is located.
  • a photonic crystal is a material in which there is a periodic modulation of the refractive index in one, two or the three directions of space; in such a way that once an electromagnetic radiation is emitted from its interior or affects its surface, the interference that occurs between the different waves reflected in each interface between the means of different refractive index results in certain frequency ranges cannot be transmitted on the glass; said frequency ranges that cannot be transmitted, more specifically, the energy ranges related thereto are called photonic gaps.
  • the value of the dielectric constants of the photonic crystal components and the spatial period of their variation determine the position and width of these gaps; having in a three-dimensional photonic crystal the gaps are associated to each direction of propagation.
  • relative humidity is, together with temperature, the physical magnitude most frequently measured today.
  • the interest in humidity monitoring and control is so extensive and concerns such a variety of purposes, that it has generated a large number of different transduction methods.
  • the most common transducers are currently MEM (MicroElectroMechanical).
  • MEM MicroElectroMechanical
  • Capacitive sensors typically base their response on the intrusion of air into a polymer of the sensor and on the change in the capacity of the system that it produces, the transduction process being on the scale of ten seconds being also sensitive to electromagnetic radiation and not allowing remote measurements.
  • document W02007027792A2 details a method and a humidity detection apparatus using a multilayer photonic material with structures that have a photonic hollow.
  • Said structure has a series of photonic gaps that are formed in the reflection spectrum from the alternation of layers of materials of different index of refraction which can be deposited or arranged on an optically transparent substrate or a reflecting face of a prism.
  • the light directed towards the prism is directed to the multilayer structure and reflected from the prism, where it is captured and analyzed.
  • sensor configurations are described in which the fixed wavelength or coupling angle is maintained, while monitoring the change in the other parameter.
  • Document JP2008232925 details a refractive index sensor and a refractive index measuring device that allows reducing the number of components and reduce the cost in the refractive index sensor since it uses a photonic crystal; Likewise, the refractive index measuring device having said refractive index sensor is detailed.
  • the refractive index sensor is formed by a collection (matrix) of 2D photonic crystals (resonators) in which laser radiation is affected. The spectral variation of each resonator depends on the change in refractive index.
  • the refractive index measuring apparatus described in JP2008232925 comprises said refractive index sensor, an image forming means for capturing an image of the matrix that includes a near-field visual image of the resonator and measuring means for determining the variation of the image generated by the imaging device and from there being able to carry out a measurement of the refractive index of the medium to be measured from this image variation, the described sensor being based on the emission of light from a two-dimensional Si photonic crystal that only works in the infrared spectrum.
  • the object of the invention is a humidity sensor, which is based on a responsive element based on a photonic crystal whose dielectric material contains interstitial voids that are filled with air, said photonic crystal being preferably based on an artificial opal.
  • Artificial opals are three-dimensional periodic arrangements of dielectric spheres of varying sizes and compositions. Its response to electromagnetic radiation depends on the ordering of these spheres, their size and composition, and this response can be scaled according to these parameters (and, for this reason, be extensible to any electromagnetic range).
  • Inverse opals are known as the structures resulting from filling the gaps between spheres with some other material and eliminating those spheres.
  • the possible structural variations (two-dimensional or 1-dimensional arrangements), although they are no longer commonly called opals, their optical properties and electromagnetic responses are essentially similar to three-dimensional ones.
  • the sensor described here is based on the effect of optical transduction and allows moisture to be measured by analyzing the optical response to obtain the value of the light intensity at wavelengths of the flanks of the photonic gap (from now, Bragg diffraction peak or simply Bragg peak) where the variation in intensity with humidity is maximized.
  • the humidity sensor described here is based on optical measurements, the detection and possible quantification of humidity is carried out wirelessly, which makes the sensor object of the invention and its possible implementation immune to radioelectric noise, Likewise, the sensor object of the invention provides detections with response times below a second given that the responsive element (an artificial opal) is wireless, miniaturizable to a few cubic microns and its response time is typically less than a second.
  • the humidity sensor object of the invention is based on an optical response to the adsorption of water of a photonic crystal, more specifically of artificial opal to the adsorption of water.
  • it is only necessary to read the Bragg peak (its intensity at a pre-established wavelength or its position) of an artificial opal whose manufacture does not require any post-processing (surface functionalization, infiltration, curing, etc. .) in this way the humidity sensor responds directly to the adsorption of water molecules in the artificial opal and therefore does not require intermediate phenomena (such as imbibition, hydration dilation, chemical reactions, etc.).
  • the sensitivity of the sensor and / or reading region of the Bragg peak can be adjusted.
  • the humidity sensor described herein object of the invention consists mainly of the following elements: •
  • a responsive element such as an artificial opal (or colloidal crystal), which is a type of photonic crystal comprising self-assembled monodispersed hydrophilic material spheres between which interstitial voids are defined that are filled with air.
  • the spheres may be of silica or other similar material.
  • the photonic crystal in a preferred embodiment of the humidity sensor described herein, has a level of reflectance of the Bragg peak equal to greater than 80% and does not require any further processing after its manufacture.
  • a light source that illuminates the opal to examine its optical response.
  • Such a source may consist of low power LED emitters.
  • the humidity sensor object of the invention exceeds in response time to existing sensors of usual use, whose response necessarily involves some intermediate phenomenon
  • the response time in such sensors is determined by the rate of change in capacitance of a polymer (as in capacitive sensors) or in size (as in optical devices based on hydrogels). In such cases, response times range from several seconds to minutes.
  • such differentiation in the physical principle of the humidity sensor object of the invention results in that an increase in its sensitivity does affect the speed of the response. This is a radical advantage over the behavior of existing humidity sensors, which commonly exhibit an inverse relationship between the sensitivity and the speed of response of the sensor.
  • the object of the invention exhibits a high sensitivity (which we call as the "S" value that is defined as the normalized variation of the reflectance, in percent, divided by the variation in relative humidity, in percent, which describes how much the monitored magnitude varies per unit of HR.
  • the opal's response to moisture changes is more sensitive (it shows a higher S value). This wavelength is also selectable based on the availability of the corresponding light source.
  • the nature of the artificial opal composed of typically resistant and very inert materials, and its optical response give the humidity sensor great robustness and durability, and makes it suitable for use in all types of fields, even in those of high radiation Electromagnetic, nuclear, great corrosion, etc.
  • the photonic crystal that acts as a responsive element used can consist of an inverse opal photonic crystal, resulting from the infiltration of the interstices between the opal spheres and the subsequent selective elimination of the spheres, or other structures similar self-assembled lower dimensionality (monocas, bilayers, etc).
  • Figure 1 Shows a graph showing a relative humidity (RH) reading made by the sensor object of the invention during a variation of 10 to 70% RH
  • Figure 2. Shows a graph showing a relative humidity (RH) reading made by the sensor object of the invention during a variation of 70 to 10% RH.
  • Figure 3. Shows a graph showing the sensitivity to very fast wet currents on the surface
  • a humidity sensor based on a responsive element comprising a photonic crystal, which in turn comprises self-assembled monodispersed spheres of hydrophilic material, such as a silica-based material, a source of light that illuminates the photonic crystal to examine its optical response, such as a light source based on low-power LED emitters whose wavelength of the light source preferably overlaps with the Bragg peak of the responsive element and a transducer of the optical response to signal, signal that can be analog electrical or digital.
  • a responsive element comprising a photonic crystal, which in turn comprises self-assembled monodispersed spheres of hydrophilic material, such as a silica-based material, a source of light that illuminates the photonic crystal to examine its optical response, such as a light source based on low-power LED emitters whose wavelength of the light source preferably overlaps with the Bragg peak of the responsive element and a transducer of the optical response to signal, signal that can be analog electrical or digital.
  • the humidity sensor object of the present invention is based on the dependence of the optical response of the photonic crystal with the relative humidity of the environment.
  • the sensitivity and speed of variation of the optical response to a change in humidity results in a very sensitive and ultrafast humidity sensor.
  • the characteristics of the photonic crystal (its manufacture, range of application, sensitivity to moisture, etc.) determine the distinctive qualities of the sensor, for this example of preferred embodiment of the invention and non-limiting use is made artificial opal, which can be both direct and inverse, as photonic crystal of the responsive element
  • the wavelength at which the Bragg peak appears depends, in addition to the relative humidity of the air, on the size and composition of the constituent spheres.
  • the easy availability of a wide range of types of monodisperse spheres allows a great versatility in the selection of the detection range of the Bragg peak (depending on, for example, from the light source or, by extension, any electromagnetic wave chosen).
  • the photonic crystal is an artificial opal.
  • the appearance of the high reflectance Bragg peak in an artificial opal only requires a lateral area of a few periodicities (each determined by the diameter of the spheres) and a thickness of about fifteen layers of spheres.
  • the humidity sensor's ability to detect moisture is given by how it affects opal optics.
  • the physical principle is that the humidity of the surrounding air, which also fills the interstices of the opal, determines the number of water molecules adsorbed on the surfaces of the opal (both internal and external).
  • the amount of water in the liquid phase determines the refractive index in the interstices of the water and, consequently, the position and intensity of the Bragg peak. Once the size and refractive index of the spheres are known, the Bragg peak is determined by the adsorbed water and, therefore, is highly correlated with the humidity of the surroundings.
  • the sensitivity of the optical response of the sensor to humidity is given by the hydrophilicity of the opal: the greater the hydrophilicity, the greater the adsorbed water (for any value of the humidity) and the greater dependence of the Bragg peak with the ambient humidity. Therefore, the materials to be used to make the opal will be essentially oxides such as silica (Si0 2 ), alumina (Al 2 0 3 ), zircona, (ZnO), etc. Even in the case of polymer opals (significantly hydrophobic), their sensitivity could be increased by coating hydrophilic material (e.g., oxides) by techniques known as atomic layer deposition (ALD) or chemical vapor deposition (CVD ).
  • ALD atomic layer deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the hydrophilicity of the material could be reduced.
  • silica for example, the concentration of silanoles, chemical groups that determine the affinity of the material to water, on the surface of the spheres is easily adjustable by different thermal processes.
  • the sensitivity to moisture can increase if, together with the phenomenon of adsorption, the condensation of hair is present. The latter appears when the pore size is small enough for a given humidity range.
  • a strategy to increase sensitivity for example, in the range of very low RH ( ⁇ 1%) is to use an opal formed by microporous spheres (with pores of diameters smaller than 2 nm).
  • the appearance of capillary condensation in the micropores in the range 0-1% RH causes an abrupt change in the refractive index of the sphere and induces a response Opal optics much more pronounced.
  • opals formed by mesoporous spheres could be used, such as Carbon.
  • the speed of the response of the sensor object of the invention is fundamentally determined by the optical response speed of the opal.
  • the response of the artificial opal to changes in ambient humidity depends directly on the dynamics of adsorption / desorption of water molecules in the interstices of the artificial opal, which instantly causes the change in refractive index and, consequently, the Bragg peak. Therefore, the response of the artificial opal is delimited by the process of diffusion of the air from the outside of the artificial opal to its interstices.
  • the response time is less than 1 s for a change of 10 to 70% RH, as shown in Figure 1 or vice versa of 70 to 10% RH, as seen in figure 2, from said figures 1 and 2 it follows that the response time (considered as 1 / e of the total signal increase) is less than 1 second having used an artificial opal comprising silica spheres of ⁇ 280 nm.
  • the reading of RH, under identical conditions, of a traditional capacitive silicon-based sensor is also shown in FIG.
  • the humidity sensor object of the invention even shorter response times can be obtained.
  • interstices are provided. larger to favor the diffusion of air into the artificial opal (by means of, for example, larger spheres or by using inverse opals); while in a still more preferred embodiment of the humidity sensor object of the invention there is a smaller opal volume, reducing both the lateral extent and the thickness (in this respect, it should be noted that optical response times of ⁇ 50 ms in an opal of silica spheres of ⁇ 330 nm against temperature changes - and, therefore, of water adsorption - minimizing the volume affected.
  • a light source is directed to the responsive element to examine its optical response once the light strikes the latter (by extension, any electromagnetic wave that covers the spectral range of the Bragg peak ). It is sufficient that the wavelength (or lengths) of the light source overlap with the Bragg peak.
  • the sensitivity of the humidity sensor will increase if a wavelength coinciding with the flanks of the Bragg peak is used, where the intensity of the peak is much more sensitive to any humidity change.
  • a monochromatic light can be used or, alternatively, an optical filter can be used to select the working wavelength (all these elements are economical and available in a wide range); in any case the wavelength of the light source must have a wavelength value comprised in the Bragg peak values of the responsive element.
  • the light that examines the optic of the opal has to be collected and converted by, for example, a photosensitive cell that transforms the optical signal into an electrical signal operating as an optical response transducer to an electrical signal. Since the Bragg peak is detectable in transmission or reflection, light source and transducer can be arranged, respectively, in opposite or coincident planes of the opal. If the intensity of the light source requires amplification, optical collection elements (lenses) or electronic amplifiers can also be used if necessary.
  • an ADC Analog to Digital Converter

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Abstract

Sensor de humedad basado en la respuesta óptica de un ópalo artificial a la adsorción de agua. El diseño básico precisa únicamente de la lectura de la banda de difracción Bragg (su intensidad a una longitud de onda preestablecida o su posición) de un ópalo artificial cuya fabricación no necesita de ningún post-procesamiento (funcionalización de superficies, infiltración, curado, etc.). El sensorresponde directamente a la adsorción de moléculas de agua en el ópalo y no requiere, por tanto, de fenómenos intermedios (tales como imbibición, dilatación por hidratación, reacciones químicas, etc.). Opcionalmente, el control de la hidrofilicidad, porosidad, periodicidad o fracción de llenado del ópalo permite ajustar la sensibilidad del sensor y/o región de lecturadel pico Bragg. El elemento responsivo (el ópalo) es inalámbrico, miniaturizable a pocas micras cúbicas y su tiempo de respuesta es típicamente inferior a un segundo.

Description

SENSOR DE HUMEDAD
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención se enmarca en el campo técnico de la física.
Más concretamente, el objeto de la invención va dirigido a un sensor de humedad que hace uso de medios ópticos para determinar y/o cuantificar el grado de humedad en el entorno en el que se encuentra.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Primeramente, se tiene que un cristal fotónico es un material en el que existe una modulación periódica del índice de refracción en una, dos o las tres direcciones del espacio; de tal manera que una vez que una radiación electromagnética es emitida desde su interior o incide en su superficie, la interferencia que se produce entre las distintas ondas reflejadas en cada interfaz entre los medios de diferente índice de refracción da lugar a que ciertos rangos de frecuencias no puedan transmitirse en el cristal; dichos rangos de frecuencias que no pueden transmitirse, más concretamente, lo intervalos de energía relacionados con los mismos se denominan gaps fotónicos. El valor de las constantes dieléctricas de los componentes del cristal fotónico y el periodo espacial de su variación determinan la posición y anchura de estos gaps; teniendo que en un cristal fotónico tridimensional los gaps se encuentran asociados a cada dirección de propagación.
Por otra parte, la humedad relativa es, junto a la temperatura, la magnitud física más frecuentemente medida hoy en día. El interés por la monitorización y el control de la humedad es tan extensivo y atañe a tanta variedad de propósitos, que ha generado un gran número de métodos de transducción diferentes. Los transductores más comunes actualmente son de tipo MEM ( MicroElectroMechanical ). Entre los MEMS, los de tipo capacitivo están reemplazando a los resistivos dadas sus mejores prestaciones. Los sensores capacitivos típicamente basan su respuesta en la intrusión del aire en un polímero del sensor y en el cambio en la capacidad del sistema que éste produce, siendo el proceso de transducción en la escala de la decena de segundos siendo además sensibles a radiaciones electromagnéticas y no permitiendo realizar medidas a distancia.
De este tipo de sensores de humedad existen multitud de subtipos basados en distintas propiedades físicas, como condensación en un espejo ( chilled mirrors), hidratación de polímeros, variación optomecánica de redes, etc. cuyos tiempos de respuesta se extienden típicamente de varios segundos a minutos. Otros sensores ópticos de arquitecturas complejas (interferometría en fibras fotónicas, tecnologías de inducción de acoplamiento lateral, resonancia plasmónica de superficie, etc.) pueden poseer tiempos de respuesta en torno al segundo o menores, pero son de fabricación e implementación costosas y requieren instrumentación avanzada.
La determinación de niveles de humedad es de vital importancia en algunos entornos que requieren un control minucioso de las condiciones de trabajo.
En Mathew, J. et al Humidity sensor based on photonic crystal fibre interferometer Electronics Letters, vol. 46, no. 19, pp. 1341-1343, 2010, se detalla un dispositivo sensor para la humedad que permite prescindir del uso de cualquier material higroscópico estando el mismo basado en un interferómetro basado en una fibra de cristal fotónico que funciona en modo de reflexión y que está fabricado en un material basado en Si; el sensor descrito funciona en modo reflexión y permite llevar a cabo medidas de humedad relativa.
Por otra parte, el documento W02007027792A2 detalla un método y un aparato de detección de humedad que utilizan un material fotónico multicapa con estructuras que presenta hueco fotónico. Dicha estructura presenta una serie de gaps fotónicos que se forman en el espectro de reflexión a partir de la alternancia de capas de materiales de índice distinto de refracción las cuales pueden depositarse o disponerse sobre un sustrato ópticamente transparente o una cara reflectante de un prisma. Mediante esta disposición, la luz dirigida hacia el prisma es dirigida a la estructura multicapa y reflejada desde el prisma, donde es capturada y analizada. Asimismo, en W02007027792A2 se describen configuraciones del sensor en las que se mantiene la longitud de onda o el ángulo de acoplamiento fijados, mientras que monitorean el cambio en el otro parámetro.
El documento JP2008232925 detalla un sensor de índice de refracción y un aparato de medición de índice de refracción que permite reducir el número de componentes y reducir el coste en el sensor de índice de refracción dado que emplea un cristal fotónico; así mismo se detalla el aparato de medición de índice de refracción que tiene dicho sensor de índice de refracción. El sensor de índice de refracción, está formado por una colección (matriz) de cristales fotónicos 2D (resonadores) en los que se hace incidir radiación láser. La variación espectral de cada resonador depende del cambio en el índice de refracción. El aparato de medición de índice de refracción descrito en JP2008232925 comprende el citado sensor de índice de refracción, un medio de formación de imágenes para capturar una imagen de la matriz que incluye una imagen de campo visual cercano del resonador y unos medios de medición para determinar la variación de la imagen generada por el dispositivo de formación de imágenes y a partir de ahí poder llevar a cabo una medición del índice de refracción del medio a medir a partir de esta variación de imagen, estando el sensor descrito basado en la emisión de luz de un cristal fotónico bidimensional de Si que sólo funciona en el espectro infrarrojo.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención es un sensor de humedad, el cual está basado en un elemento responsivo basado en un cristal fotónico cuyo material dieléctrico contiene huecos intersticiales que están llenos de aire, estando dicho cristal fotónico preferiblemente basado en un ópalo artificial. Los ópalos artificiales son ordenaciones periódicas tridimensionales de esferas dieléctricas de tamaños y composiciones variadas. Su respuesta a la radiación electromagnética depende de la ordenación de estas esferas, su tamaño y su composición, pudiendo ser dicha respuesta escalada en función de dichos parámetros (y ser, por este motivo, extensible a cualquier rango electromagnético). Se conoce como ópalos inversos a las estructuras resultantes de rellenar los huecos entre esferas con algún otro material y eliminar dichas esferas. Las posibles variaciones estructurales (ordenaciones en dos dimensiones, o en 1 dimensión), aunque ya no se las llama comúnmente ópalos, sus propiedades ópticas y sus repuestas electromagnéticas son en esencia similares a las tridimensionales.
El sensor aquí descrito se basa en el efecto de transducción óptica y permite medir humedad por mediante el análisis de la respuesta óptica para obtener así el valor de la intensidad de luz en longitudes de onda de los flancos del gap fotónico (a partir de ahora, pico de difracción Bragg o simplemente pico Bragg) donde la variación de la intensidad con la humedad se maximiza.
Dado que el sensor de humedad aquí descrito se basa en medidas ópticas, la detección y posible cuantificación de la humedad se lleva a cabo de manera inalámbrica, lo cual hace que el sensor objeto de la invención y su eventual implementación sean inmunes a ruido radioeléctrico, asimismo el sensor objeto de la invención provee detecciones con unos tiempos de respuesta por debajo de un segundo dado que elemento responsivo (un ópalo artificial) es inalámbrico, miniaturizable a pocas mieras cúbicas y su tiempo de respuesta es típicamente inferior a un segundo.
Tal y como se ha indicado, el sensor de humedad objeto de la invención se basa en respuesta óptica a la adsorción de agua de un cristal fotónico, más concretamente de ópalo artificial a la adsorción de agua. En diseño básico del mismo se precisa únicamente de la lectura del pico Bragg (su intensidad a una longitud de onda preestablecida o su posición) de un ópalo artificial cuya fabricación no necesita de ningún post-procesamiento (funcionalización de superficies, infiltración, curado, etc.) de esta manera el sensor de humedad responde directamente a la adsorción de moléculas de agua en el ópalo artificial y no requiere, por tanto, de fenómenos intermedios (tales como imbibición, dilatación por hidratación, reacciones químicas, etc.).
Opcionalmente, mediante control de la hidrofilicidad, porosidad, periodicidad o fracción de llenado del ópalo se puede ajustar la sensibilidad del sensor y/o región de lectura del pico Bragg.
En una realización del objeto de la invención se tiene un sensor óptico de humedad con transducción basada en la lectura de una cualidad distintiva del pico Bragg (en adelante, pico Bragg) exhibida por un ópalo artificial.
El sensor de humedad aquí descrito objeto de la invención se compone principalmente de los siguientes elementos: • Un elemento responsivo, como puede ser un ópalo artificial (o cristal coloidal), que es un tipo de cristal fotónico que comprende esferas de material hidrófilo monodispersas autoensambladas entre las cuales se definen huecos intersticiales que están llenos de aire. Las esferas de pueden ser de sílice u otro material similar. El cristal fotónico, en una realización preferente del sensor de humedad aquí descrito, tiene un nivel de reflectancia del pico Bragg igual a superior a 80% y no requiere procesamiento alguno posterior a su fabricación.
• Una fuente de luz que ilumina el ópalo para examinar su respuesta óptica. Tal fuente puede consistir en emisores LED de bajo consumo.
• Un transductor de la respuesta óptica a señal eléctrica, ya sea analógico o digital.
Dado que la respuesta del ópalo artificial a la humedad requiere únicamente de adsorción/desorción de moléculas de agua en su superficie, el sensor de humedad objeto de la invención supera en tiempo de respuesta a los sensores existentes de uso habitual, cuya respuesta involucra necesariamente algún fenómeno intermedio. Así, por ejemplo, el tiempo de respuesta en tales sensores viene determinada por la velocidad de cambio de capacitancia de un polímero (como en los sensores capacitivos) o de tamaño (como en dispositivos ópticos basados en hidrogeles). En tales casos, los tiempos de respuestas van desde varios segundos a minutos. En última instancia, tal diferenciación en el principio físico del sensor de humedad objeto de la invención redunda en que un aumento de su sensibilidad sí que se vea afectada la rapidez en la respuesta. Esto supone una ventaja radical con respecto al comportamiento de los sensores de humedad existentes, que comúnmente exhiben una relación inversa entre la sensibilidad y la rapidez de respuesta del sensor.
El objeto de la invención exhibe una alta sensibilidad (que denominamos como valor “S” que se define como la variación normalizada de la reflectancia, en porcentaje, dividida por la variación de la humedad relativa, en porcentaje, que describe cuánto varía la magnitud monitorizada por unidad de RH.
Midiendo la reflectancia a una longitud de onda situada en uno de los flancos del pico de Bragg, la respuesta del ópalo a cambios de humedad es más sensible (muestra un valor de S mayor). Esta longitud de onda es asimismo seleccionable en función de la disponibilidad de la fuente de luz correspondiente. Al ser el pico de Bragg mucho más definido que en otros sistemas conocidos en el arte previo (reflectores de multicapas, cristales fotónicos de dos dimensiones, cristales fotónicos de tres dimensiones infiltrados por hidrogeles, etc.), la sensibilidad del objeto de la invención es significativamente mayor. Dado que S se define como la variación normalizada de la reflectancia (en %) dividida por la variación de la humedad relativa (en %), un ópalo de esferas de sílice de 370 nm exhibe un valor aproximado de S=30 en el rango de humedades bajas (0-20% RH). En los mejores sensores de humedad basados en respuesta fotónica se han reportado valores de S en el rango 0.5-15.
La naturaleza del ópalo artificial, compuesto de materiales típicamente resistentes y muy inertes, y de su respuesta óptica otorgan al sensor de humedad una gran robustez y durabilidad, y lo hace apto para su uso en todo tipo de ámbitos, incluso en aquellos de alta radiación electromagnética, nuclear, gran corrosión, etc.
Como alternativas al ópalo artificial descrito, el cristal fotónico que actúa como elemento responsivo utilizado puede consistir en un cristal fotónico tipo ópalo inverso, resultante de la infiltración de los intersticios entre las esferas del ópalo y la posterior eliminación selectiva de las esferas, u otras estructuras similares autoensambladas de dimensionalidad inferior (monocas, bicapas, etc).
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una gráfica donde se aprecia una lectura de humedad relativa (RH) realizada por el sensor objeto de la invención durante una variación de 10 a 70% RH
Figura 2.- Muestra una gráfica donde se aprecia una lectura de humedad relativa (RH) realizada por el sensor objeto de la invención durante una variación de 70 a 10% RH. Figura 3.- Muestra una gráfica donde se aprecia la sensibilidad a corrientes húmedas muy rápidas sobre la superficie
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En una realización preferente del objeto de la invención se tiene un sensor de humedad basado en un elemento responsivo que comprende un cristal fotónico, el cual a su vez comprende esferas monodispersas autoensambladas de material hidrófilo, como puede ser una material basado en Sílice, una fuente de luz que ilumina el cristal fotónico para examinar su respuesta óptica, como puede ser una fuente de luz basada en emisores LED de bajo consumo cuya la longitud de onda de la fuente de luz preferentemente se solapa con el pico de Bragg del elemento responsivo y un transductor de la respuesta óptica a señal, señal que puede ser analógica eléctrica o digital.
El sensor de humedad objeto de la presente invención se basa en la dependencia de la respuesta óptica del cristal fotónico con la humedad relativa del entorno. La sensibilidad y rapidez de variación de la respuesta óptica ante un cambio de humedad redunda en un sensor de humedad muy sensible y ultrarrápido. Como elemento responsivo, las características del cristal fotónico (su fabricación, rango de aplicación, sensibilidad a la humedad, etc.) determinan las cualidades distintivas del sensor, para este ejemplo de realización preferente de la invención y con carácter no limitativo se hace uso un ópalo artificial, que puede ser tanto directo como inverso, como cristal fotónico del elemento responsivo
La longitud de onda en la que aparece el pico Bragg depende, además de la humedad relativa del aire, del tamaño y composición de las esferas constituyentes. La fácil disponibilidad de una amplia gama de tipos de esferas monodispersas (de pocos nanómetros a muchas mieras, compactas o porosas, de óxidos, polímeros, etc.) permite una gran versatilidad en la selección del rango de detección del pico Bragg (en función, por ejemplo, de la fuente de luz o, por extensión, cualquier onda electromagnética elegida). La posición del pico Bragg se puede estimar muy aproximadamente por la sencilla ecuación de Bragg (de ahí su nombre): ]=2-n-d (siendo n el índice de refracción promedio de la estructura, fácilmente calculable, y d la periodicidad, que depende solamente del tamaño de esfera elegida, D, de la forma d=0.816 D). Esta sencilla relación nos permite sintonizar la respuesta del sensor sin más que variar el diámetro de la esfera constituyente.
Así, en una realización preferente del sensor de humedad objeto de la invención el cristal fotónico es un ópalo artificial. La aparición del pico Bragg de alta reflectancia en un ópalo artificial sólo requiere un área lateral de unas pocas periodicidades (cada una de ellas determinada por el diámetro de las esferas) y un espesor de unas quince capas de esferas. Así, por ejemplo, si se requiere un pico Bragg en el espectro visible (400-700 nm), el ópalo artificial deberá consistir en esferas de ~ 250-350 nm (por la ecuación de Bragg descrita arriba, 2- 1.3 0.816-300=636, aproximadamente la longitud de onda del láser de He-Ne, rojo), de modo que la extensión mínima del elemento responsivo será de ~ 15 pm2 y un espesor de ~ 4 pm. Esta cualidad permite una alta miniaturización del sensor de humedad.
La capacidad del sensor de humedad para detectar la humedad viene dada por cómo afecta ésta a la óptica del ópalo. El principio físico radica en que la humedad del aire circundante, que también llena los intersticios del ópalo, determina el número de moléculas de agua adsorbidas sobre las superficies del ópalo (tanto internas como externas). La cantidad de agua en fase líquida determina el índice de refracción en los intersticios del agua y, consiguientemente, la posición e intensidad del pico Bragg. Conocidos el tamaño e índice de refracción de las esferas, el pico Bragg viene determinado por el agua adsorbida y, por tanto, está correlacionado con alta precisión con la humedad del entorno.
La sensibilidad de la respuesta óptica del sensor a la humedad viene dada por la hidrofilicidad del ópalo: a mayor hidrofilicidad, mayor agua adsorbida (para cualquier valor de la humedad) y mayor dependencia del pico Bragg con la humedad ambiente. Por ello, los materiales a utilizar para fabricar el ópalo serán fundamentalmente óxidos como la sílice (Si02), alúmina (Al203), zircona, (ZnO), etc. Incluso en el caso de disponer de ópalos de polímero (significativamente hidrófobos), podría aumentarse su sensibilidad mediante recubrimiento de material hidrófilo (por ej., óxidos) mediante técnicas conocidas como deposición por capas atómicas (ALD) o deposición química en fase vapor (CVD). Inversamente, si se quisiera reducir la sensibilidad del ópalo, podría reducirse la hidrofilicidad del material. En el caso de la sílice, por ejemplo, la concentración de silanoles, grupos químicos que determinan la afinidad del material al agua, en la superficie de las esferas es fácilmente ajustable por distintos procesos térmicos.
Por otra parte, la sensibilidad con la humedad puede aumentar si, junto al fenómeno de adsorción concurre el de condensación capilar. Ésta última aparece cuando el tamaño de poro es suficientemente pequeño para un rango de humedad determinado. Así, una estrategia para aumentar la sensibilidad, por ejemplo, en el rango de muy baja RH (< 1 %) es utilizar un ópalo formado por esferas microporosas (con poros de diámetros inferiores a 2 nm). De este modo, además de mantener la sensibilidad a la humedad en el resto de rango, la aparición de condensación capilar en los microporos en el rango 0-1% RH ocasiona un cambio abrupto en el índice de refracción de la esfera e induce una respuesta óptica del ópalo mucho más acusada. Si se requiriera una sensibilidad aumentada en un intervalo determinado del rango de humedad, podrían utilizarse ópalos formados por esferas mesoporosas (de tamaño de poro seleccionable), como por ejemplo de Carbono.
La rapidez de la respuesta del sensor objeto de la invención viene determinada fundamentalmente por la velocidad de respuesta óptica del ópalo. Dado el principio físico de este sensor, la respuesta del ópalo artificial frente a cambios en la humedad ambiente depende directamente de la dinámica de adsorción/desorción de moléculas de agua en los intersticios del ópalo artificial, la cual ocasiona instantáneamente el cambio de índice de refracción y, consiguientemente, el pico Bragg. Por ende, la respuesta del ópalo artificial viene delimitada por el proceso de difusión del aire desde el exterior del ópalo artificial a sus intersticios. En un ópalo artificial con pico Bragg en el rango visible, cuyo espesor es de ~ 5 mieras, el tiempo de respuesta es inferior a 1 s para un cambio de 10 a 70% RH tal y como se observa en la Figura 1 o viceversa de 70 a 10% RH, tal y como se observa en figura 2, de dichas figuras 1 y 2 se desprende que el tiempo de respuesta (considerado como 1/e del incremento total de señal) es inferior a 1 segundo habiendo utilizado un ópalo artificial que comprende esferas de sílice de ~ 280 nm. Por comparación, se muestra también en dicha Figura 1 la lectura de RH, en idénticas condiciones, de un sensor tradicional capacitivo basado en silicio.
En posibles realizaciones alternativas del sensor de humedad objeto de la invención se pueden obtener tiempos de respuesta aún más cortos. Para ello en una realización aún preferente del sensor de humedad objeto de la invención se tienen intersticios más grandes para favorecer la difusión del aire al interior del ópalo artificial (mediante, por ejemplo, esferas mayores o utilizando ópalos inversos); mientras que en una realización todavía más preferente del sensor de humedad objeto de la invención se tiene un volumen del ópalo más pequeño, reduciendo tanto la extensión lateral como el espesor (a este respecto, cabe destacar que se han reportado tiempos de respuesta óptica de < 50 ms en un ópalo de esferas de sílice de ~ 330 nm frente a cambios de temperatura -y, por ende, de adsorción del agua- minimizando el volumen afectado.
Una vez determinadas las características del ópalo artificial, se procede a acoplar una fuente de luz dirigida al elemento responsivo para examinar su respuesta óptica una vez la luz incide sobre este último (por extensión, cualquier onda electromagnética que abarque el rango espectral del pico de Bragg). Es suficiente con que la longitud (o longitudes) de onda de la fuente de luz solape con el pico de Bragg. La sensibilidad del sensor de humedad aumentará si se utiliza una longitud de onda coincidente con los flancos del pico de Bragg, donde la intensidad del pico es mucho más sensible a cualquier cambio de humedad. Para ello puede utilizarse una luz monocromática o, alternativamente, emplearse un filtro óptico para seleccionar la longitud de onda de trabajo (todos estos elementos son económicos y están disponibles en una amplia gama); en cualquier caso la longitud de onda de la fuente de luz debe tener un valor de longitud de onda comprendido en los valores del pico de Bragg del elemento responsivo.
La luz que examina la óptica del ópalo ha de ser recolectada y convertida mediante, por ejemplo, una célula fotosensible que transforme la señal óptica en señal eléctrica funcionando a modo de transductor de respuesta óptica a señal eléctrica. Dado que el pico de Bragg es detectable en transmisión o reflexión, fuente de luz y transductor pueden ser dispuestos, respectivamente, en planos opuestos o coincidentes del ópalo. Si la intensidad de la fuente de luz requiriera amplificación, elementos recolectores ópticos (lentes) o amplificadores electrónicos pueden ser también empleados si fuera necesario.
Por último, opcionalmente, puede disponerse de un convertidor analógico digital ADC ( Analogic to Digital Converter) para digitalizar las señales eléctricas y ser tratadas por un software de calibración y visualización.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sensor de humedad caracterizado por que comprende:
a. un elemento responsivo que comprende un cristal fotónico que a su vez comprende esferas monodispersas autoensambladas material hidrófilo entre las cuales se definen huecos intersticiales,
b. una fuente de luz destinada a iluminar el elemento responsivo para examinar su respuesta óptica, y
c. un transductor de respuesta óptica a señal eléctrica, destinado a recolectar y convertir la respuesta óptica del elemento responsivo en una señal.
2. Sensor de humedad según reivindicación 1 caracterizado por que el cristal fotónico es un ópalo artificial.
3. Sensor de humedad según reivindicación 1 caracterizado por que el cristal fotónico es un ópalo artificial inverso.
4. Sensor de humedad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por que el cristal fotónico tiene una reflectancia del pico Bragg igual a superior a 80% en toda su extensión.
5. Sensor de humedad según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el material hidrófilo de las esferas se selecciona de entre: sílice (Si02), alúmina (Al203), zircona, (ZnO) o cualquier óxido o compuesto hidrófilo o cualquiera no hidrófilo hidrofilizado mediante recubrimiento de material hidrófilo.
6. Sensor de humedad según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque las esferas tienen un diámetro comprendido entre aproximadamente 250 nm y aproximadamente 350 nm, de tal manera que el elemento responsivo tiene una extensión de aproximadamente 15 pm2 con un espesor de aproximadamente 4 pm.
7. Sensor de humedad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 anteriores caracterizado porque las esferas tienen un diámetro de 330nm.
8. Sensor de humedad según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que las esferas son microporosas.
9. Sensor de humedad según reivindicación 8 caracterizado por que las esferas son microporosas con poros de diámetro inferior a 2 nm.
10. Sensor de humedad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque las esferas son mesoporosas.
11. Sensor de humedad según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la longitud de onda de la fuente de luz tiene un valor de longitud de onda comprendido en los valores del pico de Bragg del elemento responsivo.
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