WO2007045440A1 - Sensor and method for optically detecting a chemical substance - Google Patents

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WO2007045440A1
WO2007045440A1 PCT/EP2006/010011 EP2006010011W WO2007045440A1 WO 2007045440 A1 WO2007045440 A1 WO 2007045440A1 EP 2006010011 W EP2006010011 W EP 2006010011W WO 2007045440 A1 WO2007045440 A1 WO 2007045440A1
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WO
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sensor
light
detection
sensor element
light guide
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Application number
PCT/EP2006/010011
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German (de)
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Inventor
Hilmar Franke
Davor Kosanic
Original Assignee
Universität Duisburg-Essen
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • G01N21/552Attenuated total reflection
    • G01N21/553Attenuated total reflection and using surface plasmons

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for optical detection of a chemical substance according to the preamble of claim 1, a method for optically detecting in particular polar gases and uses of the sensor or method.
  • the present invention is concerned with the optical detection of chemicals, in particular gases.
  • detection or “detecting” is here in particular not only the determination of the presence of the respective substance, but also the (possible) determination of the absolute content, the relative proportion and / or the distinction between different substances To understand isomers or the like.
  • the article "Selective optical detection of aromatic vapors" by Robert P. Podgorsek et al., Published in “Applied Optics", Vol. 41, No. 4, pp. 601-608, of Feb. 1, 2002, which is the starting point of the present Invention discloses a sensor for the optical detection of aromatic vapors.
  • the sensor has a prism in the form of a right-angled triangle, which has a sensor element on one side of the catheter and is mirrored on the other side of the catheter.
  • the sensor element forms an optical resonance system and consists of an intermediate layer of silver and a polymer film of Teflon.
  • the polymer layer is sufficiently porous so that aromatic gases, such as xylenes, can diffuse into it.
  • the gas front of the gas molecules diffusing into the polymer layer is optically detectable.
  • Polarized laser light is introduced into the prism via the hypotenuse and falls obliquely onto the sensor element, from which it is reflected or deflected onto the mirrored side of the catheter and from there to a detection system.
  • the reflection at the sensor element depends on the wavelength and on the gas front or gas concentration in the polymer layer with corresponding polarization of the light due to leak modes and surface plasma resonances. Thus, a very selective optical detection of aromatic gases or vapors is possible.
  • No. 5,815,278 A discloses an optical sensor for surface plasmon spectroscopy with broadband light or white light.
  • the light is coupled into a waveguide via one half of a spherical collimator and reflected at the end of the waveguide.
  • the reflected light is directed across the other half of the collimator on a receiver for spatial resolution of the reflected light.
  • a sensor element is arranged laterally on the waveguide for interaction with the light in the waveguide. Accordingly, only the surface plasmon resonance is utilized here.
  • WO 97/15820 A1 relates to a surface plasmon resonance sensor. Only one metal layer (50 nm gold) is used to obtain a plasmone. All arrangements require two optical connections, namely an input and an output.
  • US 5,640,234 A discloses a sensor for the detection of chemical substances. Light is passed through a planar layer. For coupling and decoupling two optical connections are required. It uses the so-called cut-off principle, which consists of a critical change in the thickness of the conductor material. This change in thickness is achieved by swelling the conductor material in the presence of a gas to be measured or a liquid to be measured.
  • the actual measuring chambers are irradiated by the measuring light, so that the measurement of the effective light path in the measuring chamber depends.
  • Various constructions are proposed, each requiring an optical input and an optical output.
  • the present invention has for its object to provide a sensor for optical detection of a chemical substance, a method for optically detecting a particular polar gas and uses of the sensor or method, with a simple, inexpensive construction and low cost a very fast, sensitive and / or selective
  • the sensor element forming an optical resonance system is irradiated twice by the light before its detection. This is a very high sensitivity or selectivity beneficial and very easy to implement.
  • the double irradiation results in particular from the fact that in a direction of incidence obliquely directed to the sensor element light is reflected by this and then reflected back to the sensor element, to then be reflected back into the direction of incidence of the sensor element. Accordingly, this "dual irradiation" is also particularly well suited for combination with only a single terminal and optical fiber for the supply and discharge of light.
  • Another aspect of the present invention is to provide the sensor with only a single terminal for a light guide for the supply and dissipation of light, in particular broadband light or white light. This allows a very simple, inexpensive and compact design.
  • the senor can be made very compact and simple.
  • Another aspect of the present invention is to use broadband light or white light, which is then reflected to different degrees depending on the wavelength or wavenumber due to the combination of leakage modes andecknplamononenresonanz of the optical resonance system formed by the sensor element.
  • Another aspect of the present invention is to use an ionomer such as Nafion (trademark of DuPont) or polyimide as a detection layer for detection of polar chemicals, especially polar gases.
  • polar chemicals especially polar gases.
  • the measuring spot and thereby also the sensor can be decisively miniaturized, a very compact design can be realized with only one optical connector, a local change of an optical resonator layer can be detected, an amplification of the leakage wave resonance by a metal film can be achieved in an adjacent layer of a dialectic and / or a very narrow spectral width in the range of a resonance and thus a high selectivity can be achieved.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the sensor with a sensor element
  • Fig. 3 is a schematic representation of a proposed sensor according to a second embodiment with an associated
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a proposed sensor 1 according to a first embodiment with an associated device 2 for the supply of light and evaluation.
  • the sensor 1 is used for the optical detection of a chemical substance, in particular a gas, more preferably a polar gas or polar gas molecules, for example of water, propanol, ethanol or the like and in particular of water vapor, humidity, alcohol vapors, ethanol vapors or the like.
  • a chemical substance in particular a gas, more preferably a polar gas or polar gas molecules, for example of water, propanol, ethanol or the like and in particular of water vapor, humidity, alcohol vapors, ethanol vapors or the like.
  • the sensor 1 and the device 2 are formed as separate parts. This allows in particular an optimal miniaturization of the sensor 1. However, it is also possible to integrate the device 2 in the sensor 1.
  • the sensor 1 has a sensor element 3, which lies in a light path 4 or is irradiated by light.
  • the light is supplied only via a single connection 5 and a light conductor 6 connected or connectable thereto.
  • the sensor 2 is preferably operable with white light or broadband light, which can be generated as required by an LED. Alternatively, however, also relatively or very narrow-band light, for example, by an LED, in particular with about ⁇ 20 nm, or laser light can be used.
  • the generation of the light takes place in the device 2, for example with a light-emitting diode, to which the light guide 6 is connected for supplying the light to the sensor 2.
  • the light guide 6 is preferably separable from the sensor 1. However, the light guide 6 may also form part of the sensor 1, in particular be structurally fixed thereto.
  • the sensor 1 has a light-guiding body 7, in particular made of glass or another suitable transparent material.
  • the light guide body 7 is formed as an angle prism, in particular in the form of a right-angled triangular prism. However, it may also be in particular a different isosceles triangle prism.
  • the sensor element 3 is arranged on the hypotenuse side or on the side connecting the two legs of equal length.
  • the supplied or incident light passes from the terminal 5 within the optical waveguide 7 to the hypotenuse where it meets the sensor element 3 at an angle of incidence ⁇ .
  • the structure, the function and the operation of the sensor element 3 will be explained later with reference to FIG. 2 in detail.
  • the light is reflected after interaction with the sensor element 3 of this again, and indeed at the corresponding angle ⁇ to the other side of the catheter or leg side of the light guide 7.
  • the light guide 7 is mirrored or another mirror arranged so that the light from there back to the sensor element 3 again. is valid.
  • the light thus strikes again or for the second time on the sensor element 3, in particular in the region of the light impinging on the sensor element 3 from the connection 5, that is to say of the incident light.
  • This rear reflection or the second impingement of the light on the sensor element 3 is referred to in the present invention as "second irradiation" or “twice irradiated” and is particularly preferred.
  • the second irradiation causes the light to interact again with the sensor element 3 and thus a particularly high sensitivity or selectivity can be achieved.
  • the light is then reflected back from the sensor element 3 to the terminal 5 and passed through the terminal 5 and the light guide 6 to the device 2, in which a receiver, not shown, is arranged.
  • the 2 shows, in a schematic, fragmentary section, the light guide body 7 with the sensor element 3 arranged directly on the hypotenuse side.
  • the sensor element 3 forms, in particular, an optical resonance system.
  • the sensor element 3 is preferably formed as a layer system, which is particularly preferably coated directly on the light guide 7. This allows a simple and inexpensive production. However, any other coupling of the sensor element 3 to the light is possible.
  • the sensor element 3 has a detection layer 8, which is preferably porous.
  • a chemical substance 9 to be detected can diffuse into the detection layer 8, as indicated schematically by arrows in FIG. 2.
  • the substance 9 is present in particular in gaseous form.
  • the detection layer 8 it is also possible for the detection layer 8 to be in direct contact with a liquid phase which diffuses into the detection layer 8.
  • the detection layer 8 is preferably made of an ionomer, in particular of the polymer material available under the trade name Nafion from DuPont, or of polyimide.
  • the sensor element 3 further has an intermediate layer 10, which in particular serves to adapt the refractive index.
  • the intermediate layer 10 preferably contains or consists of metal, in particular gold, silver and / or aluminum.
  • the thickness of the intermediate layer 10 is preferably 5 to 100 nm, in particular 10 to 70 nm.
  • the sensor element 3 interacts with the incident light in the form of leakage modes in combination with microwavenplasmonenresonanzen. Accordingly, the reflectivity varies depending on both the wavelength or wavenumber and on the chemical substance to be detected or its diffusion within the detection layer 8.
  • the evaluation or detection and detection in the aforementioned sense is referred to as supplementary disclosure to the aforementioned articles, which are hereby incorporated by reference. These items are also to be found in more detail, for example, with regard to the polarization of the light.
  • the device 2 preferably has a fiber spectrometer, not shown, in order to evaluate the information.
  • the device 2 may comprise a photodiode for detecting the information, in particular when exciting in a small wavelength range or working with narrow-band light or laser light.
  • the light guide 6 preferably terminates in the device 2 in the form of a Y-type optical fiber.
  • Light for example a halogen lamp or a light-emitting diode, is coupled into the fiber via one end of a fiber and conducted to the sensor 1.
  • the light is returned to the device 2 and preferably via the other fiber to the fiber spectrometer, not shown, or any other suitable measuring device in the device 2, where the information is evaluated in the illustrated sense ,
  • an intensity meter can also be sufficient for the evaluation.
  • the senor 1 preferably has a collimator 11, which is integrated into the connection 5, for example.
  • the sensor 1 has a preferably foil-like polarizer 12, which is arranged in the representation example between the terminal 5 and light guide 6 on the one hand and the sensor element 3 or the Lichtleit stresses 7 on the other , This allows a simple, compact and inexpensive construction.
  • the angle of incidence ⁇ of the light is fixed. It is chosen so that the desired detection is possible. Using white light or very broadband light eliminates the need to tune the wavelength of the light.
  • the sensor 1 and the method can detect, for example, water vapor with high sensitivity and selectivity.
  • the sensor 1 and the method described allow such a high sensitivity and rapid response that, for example, the increased humidity upon approach of a person, in particular a hand or a finger, can be detected.
  • the sensor 1 or the described method according to a special ders preferred variant for a proximity sensor, proximity switch, other non-contact switch, such as a threshold, or the like used.
  • a proximity sensor, proximity switch, other non-contact switch such as a threshold, or the like used.
  • the senor 1 or the method can also be used for an alcohol test. Namely, if the sensor 1 or the method is suitably matched, it is possible to detect alcohol fumes, in particular ethanol gases, in the respiratory air or possibly even from the skin of a person, in particular in order to determine the alcohol content in the blood.
  • the light guide 7 preferably has the shape of a half-cylinder prism.
  • the terminal 5 is movable relative to the light guide 7 on a circular path, as indicated by the double arrow. Accordingly, the incident angle ⁇ is adjustable in the second embodiment.
  • a suitable angle for a given material configuration can be found in a very simple way.
  • a diaphragm 13 is provided in order to block off beam portions which arise due to reflection or refraction on the curved prism surface.

Abstract

The invention relates to a sensor (1) and to a method for optically detecting a chemical substance, in particular, a polar gas. Said sensor (1) comprises only one connection (5) for an optical wave guide (6) for the inlet and outlet of, preferably, broadband light or white light. A sensor element (3) of the sensor (1) forms an optical resonance system which works based on the combination of tunnelling modes and surface plasmon resonance and which is radiated twice by the light prior to the detection thereof. Said sensor (1) can be used universally, for example, as an alcohol tester or as a contactless switch.

Description

Sensor und Verfahren zur optischen Detektion eines chemischen Stoffs Sensor and method for the optical detection of a chemical substance
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur optischen Detektion eines chemischen Stoffs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , ein Verfahren zum optischen Detektieren von insbesondere polaren Gasen und Verwendungen des Sensors bzw. Verfahrens.The present invention relates to a sensor for optical detection of a chemical substance according to the preamble of claim 1, a method for optically detecting in particular polar gases and uses of the sensor or method.
Bei der vorliegenden Erfindung geht es um die optische Detektion von chemischen Stoffen, insbesondere Gasen. Unter dem Begriff "Detektion" bzw. "de- tektieren" ist hier insbesondere nicht nur das Feststellen des Vorhandenseins des jeweiligen Stoffs, sondern darüber hinaus auch das (mögliche) Bestimmen des absoluten Gehalts, des relativen Anteils und/oder die Unterscheidung zwischen verschiedenen Stoffen, Isomeren o. dgl. zu verstehen.The present invention is concerned with the optical detection of chemicals, in particular gases. The term "detection" or "detecting" is here in particular not only the determination of the presence of the respective substance, but also the (possible) determination of the absolute content, the relative proportion and / or the distinction between different substances To understand isomers or the like.
Der Artikel "Selective optical detection of aromatic vapors" von Robert P. Podgorsek et al., erschienen in "Applied Optics", Vol. 41, Nr. 4, Seiten 601 bis 608, vom 1. Februar 2002, der den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildet, offenbart einen Sensor zur optischen Detektion aromatischer Dämpfe. Der Sensor weist ein Prisma in Form eines rechtwinkligen Dreiecks auf, das an einer Kathetenseite ein Sensorelement aufweist und an der anderen Kathetenseite verspiegelt ist. Das Sensorelement bildet ein optisches Resonanzsystem und besteht aus einer Zwischenschicht aus Silber und aus einem Polymerfilm aus Teflon. Die Polymerschicht ist ausreichend porös, so daß aromatische Gase, wie Xylole, hinein diffundieren können. Die Gasfront der in die Polymerschicht diffundieren den Gasmoleküle ist optisch detektierbar. Polarisiertes Laserlicht wird über die Hypotenuse in das Prisma eingeleitet und fällt schräg auf das Sensorelement, von dem es auf die verspiegelte Kathetenseite und von dort zu einem Erfassungssystem reflektiert bzw. abgelenkt wird. Die Reflektion am Sensorelement hängt von der Wellenlänge und von der Gasfront bzw. Gaskonzentration in der Polymerschicht bei entsprechender Polarisation des Lichts aufgrund Leckmoden und Oberflächenplasmonenreso- nanzen ab. So ist eine sehr selektive optische Detektion von aromatischen Gasen bzw. Dämpfen möglich. Weitere, insbesondere theoretische Einzelheiten zur optischen Bestimmung von Moleküldiffusionskoefizienten in Polymerfilmen und zur optimierten Leckmodenspektroskopie ergeben sich aus den Artikeln "Optical determinati- on of molecule diffusion coefficients in polymer films" von R.P. Podgorsek et al., erschienen in "Applied Physics Letters", Vol. 73, Nr. 20, Seiten 2887 bis 2889, vom 16. November 1998, und "Optimized leaky mode spectroscopy with a Single planar film" von M. Leitz et al., erschienen in "Applied Physics Letters", Vol. 77, Nr. 17, Seiten 2674 bis 2676, vom 23. Oktober 2000.The article "Selective optical detection of aromatic vapors" by Robert P. Podgorsek et al., Published in "Applied Optics", Vol. 41, No. 4, pp. 601-608, of Feb. 1, 2002, which is the starting point of the present Invention discloses a sensor for the optical detection of aromatic vapors. The sensor has a prism in the form of a right-angled triangle, which has a sensor element on one side of the catheter and is mirrored on the other side of the catheter. The sensor element forms an optical resonance system and consists of an intermediate layer of silver and a polymer film of Teflon. The polymer layer is sufficiently porous so that aromatic gases, such as xylenes, can diffuse into it. The gas front of the gas molecules diffusing into the polymer layer is optically detectable. Polarized laser light is introduced into the prism via the hypotenuse and falls obliquely onto the sensor element, from which it is reflected or deflected onto the mirrored side of the catheter and from there to a detection system. The reflection at the sensor element depends on the wavelength and on the gas front or gas concentration in the polymer layer with corresponding polarization of the light due to leak modes and surface plasma resonances. Thus, a very selective optical detection of aromatic gases or vapors is possible. Further, in particular theoretical details for the optical determination of molecular diffusion coefficients in polymer films and for optimized leak-mode spectroscopy can be found in the articles "Optical Determination of Molecule Diffusion coefficients in Polymer Films" by RP Podgorsek et al., Published in "Applied Physics Letters", Vol 73, no. 20, pages 2887 to 2889, 16 November 1998, and "Optimized leaky mode spectroscopy with a single planar film" by M. Leitz et al., Published in "Applied Physics Letters", Vol. 77, No. 17, pages 2674 to 2676, of October 23, 2000.
Die US 5,815,278 A offenbart einen optischen Sensor zur Oberflächenplas- monenspetroskopie mit breitbandigem Licht oder Weißlicht. Das Licht wird über eine Hälfte eines sphärischen Kollimators in einen Wellenleiter eingekoppelt und am Ende des Wellenleiters reflektiert. Das reflektierte Licht wird über die andere Hälfte des Kollimators auf einem Empfänger zur räumlichen Auflösung des reflektierten Lichts gelenkt. Ein Sensorelement ist seitlich an dem Wellenleiter zur Wechselwirkung mit dem Licht im Wellenleiter angeordnet. Entsprechend wird hier nur die Oberflächenplasmonenresonanz ausgenutzt.No. 5,815,278 A discloses an optical sensor for surface plasmon spectroscopy with broadband light or white light. The light is coupled into a waveguide via one half of a spherical collimator and reflected at the end of the waveguide. The reflected light is directed across the other half of the collimator on a receiver for spatial resolution of the reflected light. A sensor element is arranged laterally on the waveguide for interaction with the light in the waveguide. Accordingly, only the surface plasmon resonance is utilized here.
Die WO 97/15820 Al betrifft einen Oberflächenplasmonenresonanz-Sensor. Es wird lediglich eine Metallschicht (50 nm Gold) für die Erzielung eines Plasmons verwendet. Alle Anordnungen erfordern zwei optische Anschlüsse, nämlich einen Eingang und einen Ausgang.WO 97/15820 A1 relates to a surface plasmon resonance sensor. Only one metal layer (50 nm gold) is used to obtain a plasmone. All arrangements require two optical connections, namely an input and an output.
Die US 5,640,234 A offenbart einen Sensor zur Detektion von chemischen Stoffen. Licht wird durch eine planare Schicht geleitet. Für die Ein- und Auskopplung sind zwei optische Anschlüsse erforderlich. Es wird das sogenannte cut-off-Prinzip eingesetzt, das auf einer kritischen Veränderung der Dicke des Leitermaterials besteht. Diese Dickenänderung wird durch Quellung des Lei- termaterials in Gegenwart eines zu messenden Gases oder einer zu messenden Flüssigkeit erreicht.US 5,640,234 A discloses a sensor for the detection of chemical substances. Light is passed through a planar layer. For coupling and decoupling two optical connections are required. It uses the so-called cut-off principle, which consists of a critical change in the thickness of the conductor material. This change in thickness is achieved by swelling the conductor material in the presence of a gas to be measured or a liquid to be measured.
Die DE 33 44 019 Al offenbart Anordnungen zur optischen Messung vonDE 33 44 019 A1 discloses arrangements for the optical measurement of
Stoffkonzentrationen. Die eigentlichen Meßkammern werden von dem Meß- licht durchstrahlt, so daß die Messung vom effektiven Lichtweg in der Meß- kammer abhängt. Es werden verschiedene Konstruktionen vorgeschlagen, die jeweils einen optischen Eingang und einen optischen Ausgang erfordern.Concentrations. The actual measuring chambers are irradiated by the measuring light, so that the measurement of the effective light path in the measuring chamber depends. Various constructions are proposed, each requiring an optical input and an optical output.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur op- tischen Detektion eines chemischen Stoffs, ein Verfahren zum optischen De- tektieren eines insbesondere polaren Gases und Verwendungen des Sensors bzw. Verfahrens anzugeben, wobei bei einfachem, kostengünstigem Aufbau und geringem Aufwand eine sehr schnelle, empfindliche und/oder selektiveThe present invention has for its object to provide a sensor for optical detection of a chemical substance, a method for optically detecting a particular polar gas and uses of the sensor or method, with a simple, inexpensive construction and low cost a very fast, sensitive and / or selective
Detektion von chemischen Stoffen, insbesondere Gasen, ganz bevorzugt pola- ren Gasen, wie Luftfeuchtigkeit, ermöglicht wird.Detection of chemical substances, especially gases, most preferably polar gases, such as humidity, is possible.
Die obige Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 20 oder eine Verwendung gemäß Anspruch 25 oder 26 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The above object is achieved by a sensor according to claim 1, a method according to claim 20 or a use according to claim 25 or 26. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.
Vorschlagsgemäß wird das ein optisches Resonanzsystem bildende Sensorelement zweifach vom Licht vor dessen Erfassung bestrahlt. Dies ist einer sehr hohen Empfindlichkeit bzw. Selektivität zuträglich und sehr einfach realisierbar.According to the proposal, the sensor element forming an optical resonance system is irradiated twice by the light before its detection. This is a very high sensitivity or selectivity beneficial and very easy to implement.
Die zweifache Bestrahlung ergibt sich insbesondere dadurch, daß in einer Einfallrichtung schräg auf das Sensorelement gerichtetes Licht von diesem reflektiert und anschließend auf das Sensorelement zurückgespiegelt wird, um dann wieder zurück in die Einfallrichtung vom Sensorelement reflektiert zu werden. Dementsprechend ist diese "zweifache Bestrahlung" auch besonders gut zur Kombination mit nur einem einzigen Anschluß und Lichtleiter zur Zu- und Ableitung des Lichts geeignet.The double irradiation results in particular from the fact that in a direction of incidence obliquely directed to the sensor element light is reflected by this and then reflected back to the sensor element, to then be reflected back into the direction of incidence of the sensor element. Accordingly, this "dual irradiation" is also particularly well suited for combination with only a single terminal and optical fiber for the supply and discharge of light.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Sensor mit nur einem einzigen Anschluß für einen Lichtleiter zur Zuleitung und Ableitung von Licht, insbesondere breitbandigem Licht oder Weißlicht, zu versehen. Dies ermöglicht einen sehr einfachen, kostengünstigen und kompakten Aufbau.Another aspect of the present invention is to provide the sensor with only a single terminal for a light guide for the supply and dissipation of light, in particular broadband light or white light. This allows a very simple, inexpensive and compact design.
Dementsprechend kann der Sensor sehr kompakt und einfach aufgebaut werden. Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, breitbandiges Licht oder Weißlicht einzusetzen, das dann aufgrund der Kombination von Leckmoden und Oberflächenplasmonenresonanz von dem von dem Sensor- element gebildeten optischen Resonanzsystem in Abhängigkeit von der Wellenlänge bzw. Wellenzahl unterschiedlich stark reflektiert wird. In einer einfachsten Variante erfolgt vorzugsweise nur die Erfassung der Reflektivität (Intensität) nur in einem schmalen Frequenzbank bei festem Einfallwinkel des Lichts auf das Sensorelement bzw. die Detektionsschicht und darüber die De- tektion eines chemischen Stoffs, insbesondere eines in das Sensorelement bzw. dessen Detektionsschicht diffundierenden Gases, wie Luftfeuchtigkeit.Accordingly, the sensor can be made very compact and simple. Another aspect of the present invention is to use broadband light or white light, which is then reflected to different degrees depending on the wavelength or wavenumber due to the combination of leakage modes and Oberflächenplamononenresonanz of the optical resonance system formed by the sensor element. In a simplest variant, preferably only the detection of the reflectivity (intensity) takes place only in a narrow frequency bank with a fixed angle of incidence of the light on the sensor element or the detection layer and, moreover, the detection of a chemical substance, in particular one into the sensor element or its detection layer diffusing gas, such as humidity.
Die Kombination der zweifachen Bestrahlung mit der Verwendung von breit- bandigem Licht bzw. Weißlicht ist ebenfalls sehr vorteilhaft, da diese Kombi- nation zu einer sehr hohen Empfindlichkeit bzw. Selektivität bei geringem Aufwand führt.The combination of the double irradiation with the use of broadband light or white light is likewise very advantageous since this combination leads to a very high sensitivity or selectivity with little effort.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Ionomer, wie Nafion (Handelsmarke von DuPont), oder Polyimid als Detektionsschicht zur Detektion von polaren chemischen Stoffen, insbesondere polaren Gasen, zu verwenden. Versuche haben gezeigt, daß insbesondere Wasser, Propanol und/oder Ethanol bzw. deren Gase oder Dämpfe sehr schnell mit hoher Empfindlichkeit bzw. Selektivität detektierbar sind.Another aspect of the present invention is to use an ionomer such as Nafion (trademark of DuPont) or polyimide as a detection layer for detection of polar chemicals, especially polar gases. Experiments have shown that especially water, propanol and / or ethanol or their gases or vapors can be detected very quickly with high sensitivity or selectivity.
Gegenüber dem Stand der Technik kann bei der vorliegenden Erfindung der Meßfleck und dadurch auch der Sensor insgesamt entscheidend miniaturisiert werden, ein sehr kompakter Aufbau mit nur einem optischen Stecker realisiert werden, eine lokale Veränderung einer optischen Resonatorschicht erfaßt werden, durch einen Metallfilm eine Verstärkung der Leckwellenresonanz in einer benachbarten Schicht eines Dialektrikums erzielt werden und/oder können eine sehr geringe spektrale Breite im Bereich einer Resonanz und dadurch eine hohe Selektivität erreicht werden.Compared with the prior art, in the present invention, the measuring spot and thereby also the sensor can be decisively miniaturized, a very compact design can be realized with only one optical connector, a local change of an optical resonator layer can be detected, an amplification of the leakage wave resonance by a metal film can be achieved in an adjacent layer of a dialectic and / or a very narrow spectral width in the range of a resonance and thus a high selectivity can be achieved.
Weitere Aspekte, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Er- findung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines vorschlagsgemäßen Sensors gemäß einer ersten Ausfuhrungsform mit einer zugeordneten Auswerteinrichtung;Further aspects, features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the drawing. It shows: 1 is a schematic representation of a proposed sensor according to a first embodiment with an associated evaluation device;
Fig. 2 einen schematischen ausschnittsweisen Schnitt des Sensors mit einem Sensorelement; undFIG. 2 is a schematic sectional view of the sensor with a sensor element; FIG. and
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines vorschlagsgemäßen Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer zugeordnetenFig. 3 is a schematic representation of a proposed sensor according to a second embodiment with an associated
Auswerteinrichtung.Evaluation.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfa- chungsgründen weggelassen ist.In the figures, the same reference numerals are used for the same or similar parts, even if a repeated description is omitted for simplicity reasons.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen vorschlagsgemäßen Sensor 1 gemäß einer ersten Ausfuhrungsform mit einer zugeordneten Einrichtung 2 zur Versorgung mit Licht und Auswertung.1 shows a schematic representation of a proposed sensor 1 according to a first embodiment with an associated device 2 for the supply of light and evaluation.
Der Sensor 1 dient der optischen Detektion eines chemischen Stoffs, insbesondere eines Gases, besonders bevorzugt eines polaren Gases bzw. polarer Gasmoleküle, beispielsweise von Wasser, Propanol, Ethanol oder dergleichen und insbesondere von Wasserdampf, Luftfeuchtigkeit, Alkoholdämpfen, Ethanoldämpfen oder dergleichen.The sensor 1 is used for the optical detection of a chemical substance, in particular a gas, more preferably a polar gas or polar gas molecules, for example of water, propanol, ethanol or the like and in particular of water vapor, humidity, alcohol vapors, ethanol vapors or the like.
Beim Darstellungsbeispiel sind der Sensor 1 und die Einrichtung 2 als getrennte Teile ausgebildet. Dies gestattet insbesondere eine optimale Miniaturisierung des Sensors 1. Jedoch ist es auch möglich, die Einrichtung 2 in den Sensor 1 zu integrieren.In the illustrated example, the sensor 1 and the device 2 are formed as separate parts. This allows in particular an optimal miniaturization of the sensor 1. However, it is also possible to integrate the device 2 in the sensor 1.
Der Sensor 1 weist ein Sensorelement 3 auf, das in einem Lichtpfad 4 liegt bzw. von Licht bestrahlt wird. Die Zuführung des Lichts erfolgt insbesondere nur über einen einzigen Anschluß 5 und einen daran angeschlossenen bzw. anschließbaren Lichtleiter 6. Der Sensor 2 ist vorzugsweise mit Weißlicht oder breitbandigem Licht betreibbar, das bedarfsweise durch eine LED erzeugbar ist. Alternativ ist jedoch auch verhältnismäßig oder sehr schmalbandiges Licht, beispielsweise auch von einer LED insbesondere mit etwa ± 20 nm, oder Laserlicht einsetzbar.The sensor 1 has a sensor element 3, which lies in a light path 4 or is irradiated by light. In particular, the light is supplied only via a single connection 5 and a light conductor 6 connected or connectable thereto. The sensor 2 is preferably operable with white light or broadband light, which can be generated as required by an LED. Alternatively, however, also relatively or very narrow-band light, for example, by an LED, in particular with about ± 20 nm, or laser light can be used.
Beim Darstellungsbeispiel erfolgt die Erzeugung des Lichts in der Einrichtung 2, beispielsweise mit einer Leuchtdiode, an die der Lichtleiter 6 zur Zuleitung des Lichts zum Sensor 2 angeschlossen ist.In the illustrated embodiment, the generation of the light takes place in the device 2, for example with a light-emitting diode, to which the light guide 6 is connected for supplying the light to the sensor 2.
Der Lichtleiter 6 ist vorzugsweise vom Sensor 1 trennbar. Jedoch kann der Lichtleiter 6 auch einen Teil des Sensors 1 bilden, insbesondere mit diesem baulich fest verbunden sein.The light guide 6 is preferably separable from the sensor 1. However, the light guide 6 may also form part of the sensor 1, in particular be structurally fixed thereto.
Der Sensor 1 weist einen Lichtleitkörper 7, insbesondere aus Glas oder einem sonstigen geeigneten transparenten Material, auf.The sensor 1 has a light-guiding body 7, in particular made of glass or another suitable transparent material.
Bei der ersten Ausführungsform ist der Lichtleitkörper 7 als Winkelprisma ausgebildet, insbesondere in der Form eines rechtwinkligen Dreieckprismas. Jedoch kann es sich auch insbesondere um ein sonstiges gleichschenkliges Dreieckprisma handeln.In the first embodiment, the light guide body 7 is formed as an angle prism, in particular in the form of a right-angled triangular prism. However, it may also be in particular a different isosceles triangle prism.
Die Zuleitung und Ableitung des Lichts erfolgt über eine Kathetenseite bzw. eine Seite der beiden gleich langen Schenkel. Das Sensorelement 3 ist an der Hypothenusenseite bzw. an der die beiden gleich langen Schenkel verbinden- den Seite angeordnet.The supply and discharge of light via a side of the catheter or a side of the two legs of equal length. The sensor element 3 is arranged on the hypotenuse side or on the side connecting the two legs of equal length.
Das zugeführte bzw. einfallende Licht läuft vom Anschluß 5 innerhalb des Lichtleitkörpers 7 zur Hypothenuse, wo es unter einem Einfallwinkel α auf das Sensorelement 3 trifft. Der Aufbau, die Funktion und die Wirkungsweise des Sensorelements 3 werden später anhand von Fig. 2 im einzelnen erklärt.The supplied or incident light passes from the terminal 5 within the optical waveguide 7 to the hypotenuse where it meets the sensor element 3 at an angle of incidence α. The structure, the function and the operation of the sensor element 3 will be explained later with reference to FIG. 2 in detail.
Das Licht wird nach Wechselwirkung mit dem Sensorelement 3 von diesem wieder reflektiert, und zwar unter dem entsprechenden Winkel α zur anderen Kathetenseite bzw. Schenkelseite des Lichtleitkörpers 7. Zumindest in diesem Bereich ist der Lichtleitkörper 7 verspiegelt oder ein sonstiger Spiegel angeordnet, so daß das Licht von dort wieder zum Sensorelement 3 zurückgespie- gelt wird. Das Licht trifft also wieder bzw. zum zweiten Mal auf das Sensorelement 3, insbesondere in dem Bereich des vom Anschluß 5 auf das Sensorelement 3 treffenden Lichts, also des einfallenden Lichts. Dieses Rückspiegeln bzw. das zweite Auftreffen des Lichts auf das Sensorelement 3 wird bei der vorliegenden Erfindung auch als "zweite Bestrahlung" bzw. "zweifach bestrahlbar" bezeichnet und ist besonders bevorzugt. Die zweite Bestrahlung führt dazu, daß das Licht nochmals mit dem Sensorelement 3 in Wechselwirkung tritt und so eine besonders hohe Empfindlichkeit bzw. Selektivität erreicht werden kann.The light is reflected after interaction with the sensor element 3 of this again, and indeed at the corresponding angle α to the other side of the catheter or leg side of the light guide 7. At least in this area, the light guide 7 is mirrored or another mirror arranged so that the light from there back to the sensor element 3 again. is valid. The light thus strikes again or for the second time on the sensor element 3, in particular in the region of the light impinging on the sensor element 3 from the connection 5, that is to say of the incident light. This rear reflection or the second impingement of the light on the sensor element 3 is referred to in the present invention as "second irradiation" or "twice irradiated" and is particularly preferred. The second irradiation causes the light to interact again with the sensor element 3 and thus a particularly high sensitivity or selectivity can be achieved.
Das Licht wird dann vom Sensorelement 3 wieder zum Anschluß 5 zurück reflektiert und über den Anschluß 5 und den Lichtleiter 6 zur Einrichtung 2 geleitet, in der ein nicht dargestellter Empfänger angeordnet ist.The light is then reflected back from the sensor element 3 to the terminal 5 and passed through the terminal 5 and the light guide 6 to the device 2, in which a receiver, not shown, is arranged.
Fig. 2 zeigt in einem schematischen, ausschnittsweisen Schnitt den Lichtleitkörper 7 mit dem ummittelbar auf der Hypotenuseseite angeordneten Sensorelement 3. Das Sensorelement 3 bildet insbesondere ein optisches Resonanzsystem.2 shows, in a schematic, fragmentary section, the light guide body 7 with the sensor element 3 arranged directly on the hypotenuse side. The sensor element 3 forms, in particular, an optical resonance system.
Das Sensorelement 3 ist vorzugsweise als Schichtsystem ausgebildet, das besonders bevorzugt unmittelbar auf den Lichtleitkörper 7 beschichtet ist. Dies gestattet eine einfache und kostengünstige Herstellung. Jedoch ist auch jede sonstige Ankopplung des Sensorelements 3 an das Licht möglich.The sensor element 3 is preferably formed as a layer system, which is particularly preferably coated directly on the light guide 7. This allows a simple and inexpensive production. However, any other coupling of the sensor element 3 to the light is possible.
Das Sensorelement 3 weist eine Detektionsschicht 8 auf, die vorzugsweise porös ausgebildet ist. In die Detektionsschicht 8 kann ein zu detektierender chemischer Stoff 9 diffundieren, wie schematisch durch Pfeile in Fig. 2 angedeutet. Der Stoff 9 liegt insbesondere in gasförmiger Form vor. Jedoch ist es grundsätzlich auch möglich, daß die Detektionsschicht 8 unmittelbar mit einer flüssigen Phase in Kontakt steht, die in die Detektionsschicht 8 diffundiert.The sensor element 3 has a detection layer 8, which is preferably porous. A chemical substance 9 to be detected can diffuse into the detection layer 8, as indicated schematically by arrows in FIG. 2. The substance 9 is present in particular in gaseous form. However, in principle it is also possible for the detection layer 8 to be in direct contact with a liquid phase which diffuses into the detection layer 8.
Aufgrund der mit der Diffusion einhergehenden Änderung der optischen Eigenschaften des Sensorelements 3 bzw. der Detektionsschicht 8 ist eine Bestimmung des Diffusionskoeffizienten und/oder anderer Parameter möglich. Aufgrund dieser Diffusionskoeffizienten bzw. Parameter kann eine Detektion eines bestimmten Stoffs erfolgen. Dies gilt nicht nur beim Diffundieren in die Detektionsschicht 8, sondern auch beim Herausdiffundieren aus der Diffusionsschicht 8.Due to the change in the optical properties of the sensor element 3 or the detection layer 8 that accompanies the diffusion, a determination of the diffusion coefficient and / or other parameters is possible. Due to these diffusion coefficients or parameters, a detection of a specific substance can take place. This is not only true when diffusing into the Detection layer 8, but also during the out-diffusion from the diffusion layer. 8
Die Detektionsschicht 8 ist vorzugsweise aus einem Ionomer, insbesondere aus dem unter dem Handelsnamen Nafion von DuPont erhältlichen Polymer- Material, oder aus Polyimid, hergestellt.The detection layer 8 is preferably made of an ionomer, in particular of the polymer material available under the trade name Nafion from DuPont, or of polyimide.
Eine sehr gleichmäßige Detektionsschicht 8 mit der gewünschten Dicke von vorzugsweise 0,1 bis 10 μm, insbesondere 1 bis 5 μm, wird gemäß einer be- sonders bevorzugten Ausführungsform durch sogenanntes Spin-Coating erreicht.A very uniform detection layer 8 with the desired thickness of preferably 0.1 to 10 .mu.m, in particular 1 to 5 .mu.m, is achieved according to a particularly preferred embodiment by so-called spin coating.
Das Sensorelement 3 weist weiter eine Zwischenschicht 10 auf, die insbesondere einer Anpassung des Brechungsindexes dient. Die Zwischenschicht 10 enthält vorzugsweise Metall, insbesondere Gold, Silber und/oder Aluminium, oder besteht daraus. Die Dicke der Zwischenschicht 10 beträgt vorzugsweise 5 bis 100 nm, insbesondere 10 bis 70 nm.The sensor element 3 further has an intermediate layer 10, which in particular serves to adapt the refractive index. The intermediate layer 10 preferably contains or consists of metal, in particular gold, silver and / or aluminum. The thickness of the intermediate layer 10 is preferably 5 to 100 nm, in particular 10 to 70 nm.
Das Sensorelement 3 wechselwirkt mit dem auftreffenden Licht in Form von Leckmoden in Kombination mit Oberflächenplasmonenresonanzen. Dementsprechend variiert die Reflektivität in Abhängigkeit sowohl von der Wellenlänge bzw. Wellenzahl als auch von dem zu detektierenden chemischen Stoff bzw. dessen Diffusion innerhalb der Detektionsschicht 8. Zu Einzelheiten und Möglichkeiten, auch hinsichtlich der Auswertung bzw. Erfassung und Detek- tion im eingangs genannten Sinn wird als ergänzende Offenbarung auf die eingangs genannten Artikel verwiesen, die hiermit als Referenz eingeführt werden. Diesen Artikeln sind auch weitere Einzelheiten, beispielsweise hinsichtlich der Polarisation des Lichts zu entnehmen.The sensor element 3 interacts with the incident light in the form of leakage modes in combination with Oberflächenplasmonenresonanzen. Accordingly, the reflectivity varies depending on both the wavelength or wavenumber and on the chemical substance to be detected or its diffusion within the detection layer 8. For details and possibilities, also with regard to the evaluation or detection and detection in the aforementioned sense is referred to as supplementary disclosure to the aforementioned articles, which are hereby incorporated by reference. These items are also to be found in more detail, for example, with regard to the polarization of the light.
Die Einrichtung 2 weist vorzugsweise ein nicht dargestelltes Faserspektrome- ter auf, um die Information auszuwerten. Alternativ kann die Einrichtung 2 eine Photodiode zur Erfassung der Information aufweisen, insbesondere wenn in einem kleinen Wellenlängenbereich angeregt bzw. mit schmalbandigem Licht oder Laserlicht gearbeitet wird. Der Lichtleiter 6 endet vorzugsweise in der Einrichtung 2 in der Form einer optischen Y-Doppelfaser. Über ein Ende einer Faser wird Licht, beispielsweise einer Halogenlampe oder einer Leuchtdiode, in die Faser eingekoppelt und zum Sensor 1 geleitet. Nachdem die Meßinformation im Lichtspektrum auf- genommen wurde, wird das Licht zu der Einrichtung 2 zurückgeleitet und über die andere Faser vorzugsweise zu dem nicht dargestellten Faserspektro- meter oder einer sonstigen geeigneten Meßeinrichtung in der Einrichtung 2 rührt, wo die Information im erläuterten Sinne ausgewertet wird. Grundsätzlich kann auch ein Intensitätsmesser zur Auswertung genügen.The device 2 preferably has a fiber spectrometer, not shown, in order to evaluate the information. Alternatively, the device 2 may comprise a photodiode for detecting the information, in particular when exciting in a small wavelength range or working with narrow-band light or laser light. The light guide 6 preferably terminates in the device 2 in the form of a Y-type optical fiber. Light, for example a halogen lamp or a light-emitting diode, is coupled into the fiber via one end of a fiber and conducted to the sensor 1. After the measurement information has been recorded in the light spectrum, the light is returned to the device 2 and preferably via the other fiber to the fiber spectrometer, not shown, or any other suitable measuring device in the device 2, where the information is evaluated in the illustrated sense , In principle, an intensity meter can also be sufficient for the evaluation.
Zur Kollimierung weist der Sensor 1 vorzugsweise einen Kollimator 11 auf, der beispielsweise in den Anschluß 5 integriert ist.For collimating, the sensor 1 preferably has a collimator 11, which is integrated into the connection 5, for example.
Zur Polarisierung des Lichts in gewünschter Weise - in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene - weist der Sensor 1 einen vorzugsweise folienartigen Polarisator 12 auf, der beim Darstellungsbeispiel zwischen dem Anschluß 5 bzw. Lichtleiter 6 einerseits und dem Sensorelement 3 oder dem Lichtleitkörper 7 andererseits angeordnet ist. Dies ermöglicht einen einfachen, kompakten und kostengünstigen Aufbau.For the polarization of the light in the desired manner - in Fig. 1 perpendicular to the plane - the sensor 1 has a preferably foil-like polarizer 12, which is arranged in the representation example between the terminal 5 and light guide 6 on the one hand and the sensor element 3 or the Lichtleitkörper 7 on the other , This allows a simple, compact and inexpensive construction.
Bei der ersten Ausführungsform des Sensors 1 ist der Einfallwinkel α des Lichts fest. Er ist so gewählt, daß die gewünschte Detektion ermöglicht wird. Bei Verwendung von Weißlicht oder sehr breitbandigem Licht entfällt eine Abstimmung der Wellenlänge des Lichts.In the first embodiment of the sensor 1, the angle of incidence α of the light is fixed. It is chosen so that the desired detection is possible. Using white light or very broadband light eliminates the need to tune the wavelength of the light.
Versuche haben gezeigt, daß insbesondere mit dem besonders bevorzugten Nafion oder Polyimid und mit dem beschriebenen Aufbau eine sehr hohe Empfindlichkeit bzw. Selektivität mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit erreichbar ist.Experiments have shown that, in particular with the particularly preferred Nafion or polyimide and with the structure described, a very high sensitivity or selectivity can be achieved with a high reaction rate.
Der Sensor 1 und das Verfahren können beispielsweise Wasserdampf mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität detektieren. Der Sensor 1 und das erläuterte Verfahren gestatten eine derartig hohe Empfindlichkeit und schnelle Reaktion, daß beispielsweise die erhöhte Luftfeuchtigkeit bei Annäherung einer Person, insbesondere einer Hand oder eines Fingers, erfaßbar ist. Dementsprechend ist der Sensor 1 oder das beschriebene Verfahren gemäß einer beson- ders bevorzugten Variante für einen Näherungssensor, Näherungsschalter, sonstigen berührungslosen Schalter, beispielsweise einen Schwellwertschalter, oder dergleichen verwendbar. So kann auf sehr einfache, kostengünstige und effektive Weise beispielsweise die Annäherung einer Person oder eines Tieres an das Sensorelement 3 erfaßt werden.The sensor 1 and the method can detect, for example, water vapor with high sensitivity and selectivity. The sensor 1 and the method described allow such a high sensitivity and rapid response that, for example, the increased humidity upon approach of a person, in particular a hand or a finger, can be detected. Accordingly, the sensor 1 or the described method according to a special ders preferred variant for a proximity sensor, proximity switch, other non-contact switch, such as a threshold, or the like used. Thus, for example, the approach of a person or an animal to the sensor element 3 can be detected in a very simple, inexpensive and effective manner.
Es ist aber auch möglich, die Hautfeuchtigkeit bei Berührung des Sensorelements 3 mittels des Sensors 1 bzw. des Verfahrens zu detektieren. Dies kann dann beispielsweise zur Erfassung einer Berührung ausgewertet oder für son- stige Zwecke verwendet werden.But it is also possible to detect the skin moisture when touching the sensor element 3 by means of the sensor 1 and the method. This can then be evaluated, for example, to detect a touch or used for other purposes.
Gemäß einer anderen bevorzugten Variante kann der Sensor 1 bzw. das Verfahren auch für einen Alkoholtest verwendet werden. Bei entsprechender Abstimmung des Sensors 1 bzw. des Verfahrens können nämlich Alkoholdämp- fe, insbesondere Ethanolgase, in der Atemluft oder gegebenenfalls sogar aus der Haut einer Person detektiert werden, insbesondere um daraus den Alkoholgehalt im Blut zu bestimmen.According to another preferred variant, the sensor 1 or the method can also be used for an alcohol test. Namely, if the sensor 1 or the method is suitably matched, it is possible to detect alcohol fumes, in particular ethanol gases, in the respiratory air or possibly even from the skin of a person, in particular in order to determine the alcohol content in the blood.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform des vorschlagsgemäßen Sen- sors 1 anhand von Fig. 3 erläutert, wobei lediglich auf wesentliche Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform eingegangen wird. Die Ausführungen und Erläuterungen zur ersten Ausführungsform gelten also entsprechend oder ergänzend.In the following, a second embodiment of the proposed sensor 1 will be explained with reference to FIG. 3, wherein only essential differences from the first embodiment will be discussed. The statements and explanations to the first embodiment therefore apply correspondingly or in addition.
Bei der zweiten Ausführungsform weist der Lichtleitkörper 7 vorzugsweise die Form eines Halbzylinderprismas auf. Der Anschluß 5 ist relativ zum Lichtleitkörper 7 auf einer Kreisbahn bewegbar, wie durch den Doppelpfeil angedeutet. Dementsprechend ist der Einfallswinkel α bei der zweiten Ausführungsform einstellbar. So kann auf sehr einfache Weise ein geeigneter Winkel bei einer gegebenen Materialkonfiguration gefunden werden.In the second embodiment, the light guide 7 preferably has the shape of a half-cylinder prism. The terminal 5 is movable relative to the light guide 7 on a circular path, as indicated by the double arrow. Accordingly, the incident angle α is adjustable in the second embodiment. Thus, a suitable angle for a given material configuration can be found in a very simple way.
Optional ist eine Blende 13 vorgesehen, um Strahlanteile auszublenden, die durch Reflexion bzw. Brechung an der gekrümmten Prismenoberfläche entstehen. Optionally, a diaphragm 13 is provided in order to block off beam portions which arise due to reflection or refraction on the curved prism surface.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Sensor (1) zur optischen Detektion eines chemischen Stoffs, insbesondere eines Gases, mit einem Sensorelement (3), das in einem Lichtpfad (4) liegt und ein optisches Resonanzsystem bildet, wobei die Detektion auf Leckmoden und Oberflächenplasmonenresonanz bzw. Erfassung der Reflektivität des Sensorelements (3) basiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (3) zweifach vom Licht vor dessen Erfassung bestrahlbar ist.A sensor (1) for optically detecting a chemical substance, in particular a gas, comprising a sensor element (3) which lies in a light path (4) and forms an optical resonance system, the detection being based on leak modes and surface plasmon resonance or detection of the reflectivity of the sensor element (3), characterized in that the sensor element (3) can be irradiated twice by the light before its detection.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (3) im selben Bereich bzw. an der selben Stelle zweifach vom Licht bestrahlt ist.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the sensor element (3) is irradiated twice in the same area or at the same location from the light.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) nur einen einzigen Anschluß (5) für einen Lichtleiter (6) zur Zuleitung und Ableitung von Licht aufweist.3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor (1) has only a single terminal (5) for a light guide (6) for the supply and discharge of light.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) derart ausgebildet ist, daß insbesondere über den Anschluß (5) bzw. Lichtleiter (6) zugeführtes Licht in einer Einfallrichtung schräg auf das Sensorelement (3) trifft, von diesem reflektiert und anschließend auf das Sensorelement (3) zur zweiten Bestrahlung zurückgespiegelt wird, um wieder in die Einfallrichtung reflektiert und insbesondere über den Anschluß (5) bzw. Lichtleiter (6) abgeleitet zu werden.4. Sensor according to claim 3, characterized in that the sensor (1) is designed such that in particular via the terminal (5) or light guide (6) supplied light obliquely in a direction of incidence on the sensor element (3), from this is reflected and then reflected back to the sensor element (3) for the second irradiation, to be reflected again in the direction of incidence and in particular via the terminal (5) or light guide (6) to be derived.
5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (5) bzw. Lichtleiter (6) sowohl der Zuleitung von Licht, insbesondere breitbandigem Licht oder Weißlicht, als auch der Ableitung von reflektiertem Licht zu dessen Erfassung bzw. Auswertung dient.5. Sensor according to claim 3 or 4, characterized in that the terminal (5) or light guide (6) serves both the supply of light, in particular broadband light or white light, as well as the derivative of reflected light to its detection or evaluation ,
6. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (5) relativ zum Sensorelement (2) fest oder verstellbar angeordnet ist. 6. Sensor according to one of claims 3 to 5, characterized in that the connection (5) is arranged fixed or adjustable relative to the sensor element (2).
7. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallwinkel (α) des Lichts auf das Sensorelement (3) fest oder einstellbar ist und/oder daß der Sensor (1) zur Detektion eines polaren oder unpolaren Gases und/oder zur Detektion von Wasser, Propanol oder Ethanol ausgebildet ist.7. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the angle of incidence (α) of the light on the sensor element (3) is fixed or adjustable and / or that the sensor (1) for detecting a polar or non-polar gas and / or Detection of water, propanol or ethanol is formed.
8. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, daß der Sensor (1) mit Weißlicht oder breitbandigem Licht betreibbar ist.8. Sensor according to one of the preceding claims, characterized marked, that the sensor (1) with white light or broadband light is operable.
9. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) einen Lichtleitkörper (7), insbesondere aus Glas oder einem anderen transparenten Material, wie Kunststoff, aufweist, der vorzugs- weise als Winkel- oder Halbzylinderprisma ausgebildet ist.9. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor (1) has a light guide body (7), in particular made of glass or another transparent material, such as plastic, which is preferably designed as an angular or half cylinder prism.
10. Sensor nach den Ansprüchen 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (5) mittelbar oder unmittelbar mit dem Lichtleitkörper (7) verbunden ist.10. Sensor according to claims 3 and 9, characterized in that the connection (5) is connected directly or indirectly to the light guide body (7).
11. Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (3) an dem Lichtleitkörper (7) angeordnet ist, insbesondere eine Beschichtung des Lichtleitkörpers (7) bildet.11. Sensor according to claim 9 or 10, characterized in that the sensor element (3) is arranged on the light guide body (7), in particular forms a coating of the light guide body (7).
12. Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (7) zumindest bereichsweise verspiegelt ist, um Licht zum Sensorelement (3) zurückzureflektieren.12. Sensor according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the light guide body (7) is at least partially mirrored to reflect light back to the sensor element (3).
13. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, daß das Sensorelement (3) eine vorzugsweise poröse Detektionsschicht13. Sensor according to one of the preceding claims, characterized marked, that the sensor element (3) has a preferably porous detection layer
(8) aufweist, in die ein zu detektierender chemischer Stoff (9), insbesondere gasförmig, diffundieren kann.(8), in which a chemical substance to be detected (9), in particular gaseous, can diffuse.
14. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionss- chicht (8) ein Polymer, insbesondere Teflon, Ionomer oder Polyimid, enthält oder daraus besteht. 14. Sensor according to claim 13, characterized in that the detection layer (8) contains or consists of a polymer, in particular Teflon, ionomer or polyimide.
15. Sensor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die De- tektionsschicht (8) eine Dicke von 0,1 bis 10 μm, insbesondere 1 bis 5 μm, aufweist.15. Sensor according to claim 13 or 14, characterized in that the detection tection layer (8) has a thickness of 0.1 to 10 .mu.m, in particular 1 to 5 .mu.m.
16. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (3) eine Zwischenschicht (10), insbesondere zur Anpassung des Brechungsindexes, aufweist.16. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor element (3) has an intermediate layer (10), in particular for adjusting the refractive index.
17. Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (10) Metall, insbesondere Gold, Silber und/oder Aluminium, enthält oder daraus besteht.17. Sensor according to claim 16, characterized in that the intermediate layer (10) metal, in particular gold, silver and / or aluminum, contains or consists thereof.
18. Sensor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi- schenschicht (10) eine Dicke von 5 bis 100 nm, insbesondere 10 bis 70 nm, aufweist.18. Sensor according to claim 16 or 17, characterized in that the intermediate layer (10) has a thickness of 5 to 100 nm, in particular 10 to 70 nm.
19. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) einen Kollimator (11), einen vorzugsweise folienarti- gen Polarisator (12) und/oder eine Blende (13) aufweist, insbesondere zwischen einem Anschluß (5) bzw. Lichtleiter (6) und dem Sensorelement (3) oder einem Lichtleitkörper (7) des Sensorelements (3).19. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor (1) comprises a collimator (11), a preferably foil-like polarizer (12) and / or a diaphragm (13), in particular between a connection (5). or light guide (6) and the sensor element (3) or a light guide body (7) of the sensor element (3).
20. Verfahren zum optischen Detektieren eines insbesondere polaren Gases, wobei in einer Detektionsschicht (8) aus einem Ionomer oder Polyimid diffundierende Gasmoleküle optisch zur Detektion eines polaren Gases erfaßt werden.20. A method for optically detecting a particular polar gas, wherein in a detection layer (8) of an ionomer or polyimide diffusing gas molecules are detected optically for the detection of a polar gas.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Detekti- onsschicht (8), insbesondere zusammen mit einer zugeordneten Zwischenschicht (10), ein optisches Resonanzsystem bildet, insbesondere wobei zur optischen Detektion das Resonanzsystem zweifach von Licht vor dessen Erfassung bestrahlt wird. 21. The method according to claim 20, characterized in that the detection onsschicht (8), in particular together with an associated intermediate layer (10), forms an optical resonance system, in particular for optical detection, the resonance system is irradiated twice before light of the detection.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Detektion auf Leckmoden bzw. Oberflächenplasmonenresonanz basiert.22. The method according to claim 20 or 21, characterized in that the optical detection is based on leak modes or Oberflächenplasmonenresonanz.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionsschicht (8) mit Licht, insbesondere breitbandigem Licht oder Weißlicht, aus einer Einfallrichung - ggf. über eine Zwischenschicht (10) - schräg bestrahlt wird, wobei das Licht von der Detektionsschicht (8) bzw. Zwischenschicht (10) reflektiert und anschließend darauf zurückgespiegelt und schließlich wieder in die Einfallrichtung reflektiert wird.23. The method according to any one of claims 20 to 22, characterized in that the detection layer (8) with light, in particular broadband light or white light, from an incident direction - optionally via an intermediate layer (10) - obliquely irradiated, wherein the light of the detection layer (8) or intermediate layer (10) is reflected and then reflected back and finally reflected back in the direction of incidence.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivität der Detektionsschicht (8) in Abhängigkeit von der Wellenlänge bzw. spektroskopisch erfaßt und zur Detektion eines Gases verwen- det wird.24. The method according to any one of claims 20 to 23, characterized in that the reflectivity of the detection layer (8) is detected as a function of the wavelength or spectroscopically and used to detect a gas.
25. Verwendung eines Sensors (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 und/oder eines Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24 für einen Näherungssensor oder berührungslosen Schalter, insbesondere einen Schwellwertschalter, wobei eine lokale Erhöhung der Luftfeuchtigkeit bei Annäherung einer Person oder eines Tieres an das Sensorelement (3) oder die Hautfeuchtigkeit bei Berührung des Sensorelements (3) mittels des Sensors (1) bzw. Verfahrens detektiert und zur Erfassung einer Annäherung bzw. Berührung ausgewertet wird.25. The use of a sensor (1) according to any one of claims 1 to 19 and / or a method according to any one of claims 20 to 24 for a proximity sensor or non-contact switch, in particular a threshold, wherein a local increase in humidity when approaching a person or a Animal to the sensor element (3) or the skin moisture when touching the sensor element (3) by means of the sensor (1) or method detected and evaluated to detect an approach or contact.
26. Verwendung eines Sensors (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 und/oder eines Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24 für einen Alkoholtest, wobei Alkoholdampf in der Atemluft oder aus der Haut einer Person mittels des Sensors (1) bzw. Verfahrens detektiert wird, insbesondere um daraus den Alkoholgehalt im Blut zu bestimmen. 26. Use of a sensor (1) according to any one of claims 1 to 19 and / or a method according to any one of claims 20 to 24 for an alcohol test, wherein alcohol vapor in the air or from the skin of a person by means of the sensor (1) or Detected method, in particular to determine therefrom the alcohol content in the blood.
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