CH695280A5 - Optischer Sensor mit partikelhaltiger sensitiver Schicht. - Google Patents

Optischer Sensor mit partikelhaltiger sensitiver Schicht. Download PDF

Info

Publication number
CH695280A5
CH695280A5 CH01061/01A CH10612001A CH695280A5 CH 695280 A5 CH695280 A5 CH 695280A5 CH 01061/01 A CH01061/01 A CH 01061/01A CH 10612001 A CH10612001 A CH 10612001A CH 695280 A5 CH695280 A5 CH 695280A5
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
sensitive
sensor according
gas sensor
sensitive layer
particles
Prior art date
Application number
CH01061/01A
Other languages
English (en)
Inventor
Thomas Brinz
Heidrun Potthast
Original Assignee
Bosch Gmbh Robert
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10127059A external-priority patent/DE10127059B4/de
Application filed by Bosch Gmbh Robert filed Critical Bosch Gmbh Robert
Publication of CH695280A5 publication Critical patent/CH695280A5/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/78—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour
    • G01N21/783—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour for analysing gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/17—Nitrogen containing
    • Y10T436/172307—Cyanide or isocyanide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/17—Nitrogen containing
    • Y10T436/173845—Amine and quaternary ammonium
    • Y10T436/175383—Ammonia
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/17—Nitrogen containing
    • Y10T436/177692—Oxides of nitrogen
    • Y10T436/178459—Only nitrogen dioxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/18—Sulfur containing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/18—Sulfur containing
    • Y10T436/186—Sulfur dioxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/19—Halogen containing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/20—Oxygen containing
    • Y10T436/204998—Inorganic carbon compounds

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)

Description

CH 695 280 A5
Beschreibung Stand der Technik
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor nach der Gattung des Anspruchs 1 und auf dessen Verwendung.
[0002] Optische Sensoren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, beispielsweise des Kohlendioxidgehaltes der Luft, werden unter anderem in Brandmeldern eingesetzt. Ihre Funktion beruht darauf, dass eine auf Kohlendioxid sensitive Schicht des Sensors bei Kontakt mit dem zu bestimmenden Gas ihre Farbe reversibel ändert. Diese Farbänderung wird durch einen Detektor erfasst und bei Überschreitung einer festgelegten Mindestkonzentration wird ein Alarm ausgelöst.
[0003] Derartige Sensoren unterliegen der Anforderung, dass sie auch sehr geringe Gaskonzentrationen noch hinreichend genau detektieren können. Je grösser die Schichtdicke der sensitiven Schicht eines Sensors ist, desto höher ist die Lichtabsorption der sensitiven Schicht und desto genauer sind die Messergebnisse des Sensors. Dies würde eine möglichst grosse Schichtdicke der sensitiven Schicht nahelegen. Allerdings können die zu bestimmenden Gase in eine sensitive Schicht nur oberflächlich in genügendem Umfang eindiffundieren, so dass die Messgenauigkeit des Sensors durch eine grosse Schichtdicke allein kaum positiv beeinflusst wird.
[0004] Um jedoch trotzdem einen verlängerten Strahlengang innerhalb der sensitiven Schicht eines Sensors zu erzielen, wird in der US-PS 4 557 900 ein optischer Sensor mit einer sensitiven Schicht beschrieben, die hydrophobe Partikel enthält. Diese führen durch Lichtbrechung und -Streuung zu einem längeren Strahlengang innerhalb der sensitiven Schicht. Die Partikel sind in eine massive Polymermatrix eingebettet, die das Eindiffundieren der Gase allerdings nach wie vor behindert.
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Sensor zur Bestimmung eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere zur präzisen Bestimmung des Kohlendioxidgehaltes der Luft, bereitzustellen, der die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Vorteile der Erfindung
[0006] Der erfindungsgemässe optische Sensor gemäss Anspruch 1 hat den Vorteil, dass er die Messung kleinster Gaskonzentrationen mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Dies wird erreicht, indem die sensitive Schicht des Sensors lichtdurchlässige Partikel enthält, die durch Lichtbrechung und -Streuung zu einer Verlängerung des Strahlengangs innerhalb der Schicht führen. Darüber hinaus ist die sensitive Schicht porös ausgeführt, so dass eine ausreichende Diffusion des zu bestimmenden Gases in die Schicht gewährleistet ist, selbst wenn die Schichtdicke der sensitiven Schicht merklich erhöht wird.
[0007] Mit den in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemässen optischen Sensors möglich.
[0008] So ist insbesondere eine offenporige Ausführung der sensitiven Schicht von Vorteil, weil so der Zutritt der Gase weiter verbessert wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Basismaterial für die sensitive Schicht Polydimethylsiloxan verwendet wird, da dies sehr gute Diffusionseigenschaften vor allem für Kohlendioxid zeigt.
Zeichnung
[0009] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen optischen Sensors.
Ausführungsbeispiel
[0010] Der in der einzigen Figur dargestellte optische Sensor 10 beinhaltet eine Strahlungsquelle 12, die beispielsweise eine Leuchtdiode ist, und einen Detektor 24, der beispielsweise als Fotodiode ausgestaltet ist. Zwischen Strahlungsquelle 12 und Detektor 24 ist ein lichtdurchlässiges Substrat 14 aus Glas angeordnet. Als Material für das lichtdurchlässige Substrat 14 können auch andere optisch transparente Substanzen wie beispielsweise Polymethacrylate verwendet werden.
[0011] Auf dem Substrat 14 befindet sich eine sensitive Schicht 22, die beim Überschreiten einer Mindestkonzentration des zu bestimmenden Gases reversibel ihre Farbe verändert. Die sensitive Schicht 22 umfasst Partikel 16, die für eine von der Strahlungsquelle 12 ausgesandte Strahlung 13 optisch transparent sind und beispielsweise als Glaskügelchen oder als Partikel aus Quarz, Saphir, einer Keramik wie Zirkondioxid oder einem Polymeren wie beispielsweise PMMA, PA, PP oder PS ausgeführt sind. Diese führen zu einer Brechung bzw. Streuung der einfallenden Strahlung 13, insbesondere wenn die Partikel 16 als Hohlkugeln ausgeführt sind. Die Partikel 16 haben einen Durchmesser von 3 bis 20 |jm und weisen auf ihrer Oberfläche ein auf das zu bestimmende Gas sensitives Material 18 auf. Dieses Material enthält eine Polymermatrix, in der sich die für die Sensitivität des Sensors verantwortlichen Verbindungen, wie ein pH-Indikator und eine Base, befinden. In einer bevorzugten Ausführung der sensitiven Schicht 22 besteht diese Matrix aus Polydimethylsiloxan; es eignen sich aber auch andere Silicone oder Polymere wie PVC oder Ethylcellulose.
[0012] Bei Verwendung von Polydimethylsiloxan als Matrix zeigt die sensitive Schicht 22 ein sehr gutes Ansprechverhalten auf Kohlendioxid, da die Diffusionsgeschwindigkeit von C02 aufgrund der guten Gasdurchlässigkeit des Poly-
2
CH 695 280 A5
mers sehr hoch ist. Der sonst übliche Zusatz von Weichmachern entfällt.
[0013] Die Schichtdicke des auf der Oberfläche der Partikel 16 aufgebrachten sensitiven Materials 18 sollte 20 pm nicht übersteigen, da sonst eine ausreichende Diffusion der zu bestimmenden Gase in die aus dem sensitiven Material 18 bestehende Beschichtung der Partikel 16 nicht mehr gewährleistet ist.
[0014] Die sensitive Schicht 22 ist porös ausgeführt, um den Zutritt des Gasgemischs in möglichst alle Bereiche der Schicht zu gewährleisten. Besonders bevorzugt ist eine offenporige Ausführung der sensitiven Schicht 22, d.h., die in den Poren eingeschlossenen Gasräume stehen so miteinander in Kontakt, dass ein nahezu ungehinderter Zutritt der Gasatmosphäre zur sensitiven Schicht 22 gewährleistet ist. Dies wird erreicht, wenn der Anteil des sensitiven Materials 18 an der sensitiven Schicht 22 25 Vol.-% nicht übersteigt.
[0015] Die Funktion der sensitiven Schicht 22 beruht darauf, dass diese einen pH-Indikator und eine Base beinhaltet. Die Base bewirkt ein basisches Milieu in der sensitiven Schicht 22 und überführt den pH-Indikator in seine deprotonierte Form. Sobald ein saures Gas wie beispielsweise Kohlendioxid in Kontakt mit der sensitiven Schicht 22 kommt, reagiert es mit in der Schicht enthaltenem Wasser und bildet Hydrogencarbonate HC03 " sowie Hydroniumionen H30+. Diese Reaktion verändert den pH-Wert der Schicht und führt zu einer Reprotonierung des pH-Indikators, wobei die sensitive Schicht 22 ihre Farbe verändert. Der Farbumschlag wird über eine Absorptions- oder Transmissionsmessung bei Wahl entsprechender Wellenlängenbereiche der Strahlung 13 detektiert.
[0016] Gemäss einer zweiten, nicht dargestellten Ausführungsform des Sensors wird die sensitive Schicht 22 nicht auf dem Substrat 14, sondern direkt auf einem Detektor aufgebracht. Dies vereinfacht den Aufbau des optischen Sensors.
[0017] Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind je nach Verwendungszweck neben dem in Fig. 1 dargestellten und beschriebenen optischen Sensor weitere Ausführungsformen denkbar. So ist eine Bestimmung verschiedenster saurer oder auch basisch reagierender Gase denkbar wie beispielsweise CO , NOx, S02, S03, NH oder Halogenwasserstoffverbindungen. Darüber hinaus ist bei einer entsprechenden Ausgestaltung der sensitiven Schicht 22 auch eine Bestimmung von CO oder HCN möglich.

Claims (12)

Patentansprüche
1. Optischer Gassensor zur Bestimmung eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung eines Gasbestandteils der Luft, mit einer Strahlungsquelle und mit einer auf einem Substrat angeordneten sensitiven Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (22) porös ist und Partikel (16) enthält, die optisch transparent für eine von der Strahlungsquelle (12) ausgehende Strahlung (13) sind und den optischen Weg der Strahlung (13) verlängern.
2. Optischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (16) Glas, Quarz oder PMMA beinhalten.
3. Optischer Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (16) einen Durchmesser von 3 bis 20 pm haben.
4. Optischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (16) hohl sind.
5. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (16) auf ihrer Oberfläche zumindest teilweise mit einem auf das zu detektierende Gas sensitiven Material (18) überzogen sind.
6. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schicht (22) bzw. das sensitive Material (18) Tetraoctylammoniumhydroxid enthält.
7. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das terial (18) Polydimethylsiloxan enthält.
8. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das terial (18) weichmacherfrei ist.
9. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (22) zwischen den Partikeln (16) Zwischenräume (20) aufweist, die zu 25 Vol.-% oder weniger das sensitive Material (18) enthalten.
10. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (22) eine Schichtdicke von 20 bis 100 pm aufweist.
11. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (14), auf dem sich die sensitive Schicht (22) befindet, ein Detektor ist.
12. Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als sensitives Element zur Bestimmung von C02, NOx, S02, S03 , NH3, CO, HCN und/oder Halogenwasserstoffverbindungen.
die sensitive sensitive Ma-sensitive Ma-
3
CH01061/01A 2000-06-24 2001-06-13 Optischer Sensor mit partikelhaltiger sensitiver Schicht. CH695280A5 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10030914 2000-06-24
DE10127059A DE10127059B4 (de) 2000-06-24 2001-06-02 Optischer Sensor mit partikelhaltiger sensitiver Schicht

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CH695280A5 true CH695280A5 (de) 2006-02-28

Family

ID=26006187

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CH01061/01A CH695280A5 (de) 2000-06-24 2001-06-13 Optischer Sensor mit partikelhaltiger sensitiver Schicht.

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20020031447A1 (de)
CH (1) CH695280A5 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006018767A1 (de) * 2006-04-20 2007-10-25 Hochschule Wismar Wasserstoffsensor

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1671118B1 (de) * 2003-09-17 2011-11-02 University of Maryland, Baltimore County Cyanid wahrnehmende verbindungen und verwendungen davon
US8945936B2 (en) 2011-04-06 2015-02-03 Fresenius Medical Care Holdings, Inc. Measuring chemical properties of a sample fluid in dialysis systems
US10175254B2 (en) 2013-07-16 2019-01-08 Palo Alto Health Sciences, Inc. Methods and systems for quantitative colorimetric capnometry
GB2534322B (en) * 2013-10-08 2020-10-07 Honeywell Int Inc A chemical capacitance sensor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006018767A1 (de) * 2006-04-20 2007-10-25 Hochschule Wismar Wasserstoffsensor

Also Published As

Publication number Publication date
US20020031447A1 (en) 2002-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5640470A (en) Fiber-optic detectors with terpolymeric analyte-permeable matrix coating
US4752115A (en) Optical sensor for monitoring the partial pressure of oxygen
DE3623893C2 (de) Detektor zur erfassung von fluessigkeitsleckagen
JP5970551B2 (ja) インプリントフォトニックポリマーならびにその調製および使用方法
US6375725B1 (en) End-of-service indicator including porous waveguide for respirator cartridge
EP2095071B1 (de) Neigungssensor mit optoelektronischer libelle
EP2859333B1 (de) Opto-chemischer sensor
FI935128A0 (fi) Samtidiga maongfaldiga bestaemningar
CN104650374B (zh) 一种金属卟啉氧传感膜的制备方法
US10656091B2 (en) Optical sensor for detecting a chemical species
WO1992010740A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen und reversiblen messung der konzentration einer chemischen spezies
CA1134248A (en) Toxic-monitoring badge and method of use
Serra et al. Fibre-optic pH sensor for sea-water monitoring using a single dye
WO2009139889A4 (en) Apparatus and method for optically sensing analyte concentration in an erythrocyte-containing fluid
DE10127059B4 (de) Optischer Sensor mit partikelhaltiger sensitiver Schicht
DE19845553A1 (de) Brandmelder
DE10229756A1 (de) Optischer Sensor
EP3553488B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur detektion von gaslecks
DE2923826A1 (de) Vorrichtung zum messen der menge mindestens einer gewaehlten komponente einer stroemungsmittelmischung
JPS61178646A (ja) 酸素モニタ素子およびその製造方法
JPS5910837A (ja) 物理的量値並びに物質濃度の光学的測定装置
US20020031447A1 (en) Optical sensor having a sensitive layer containing particles
JP7351462B2 (ja) 一酸化窒素ガス検知方法及び一酸化窒素ガス検知装置
DE10025097B4 (de) Optischer Sensor und Verfahren zur Herstellung desselben
EP3816123A1 (de) Gasochromes glas, verfahren zur herstellung desselben und vorrichtung zur detektion eines zielgases

Legal Events

Date Code Title Description
PCAR Change of the address of the representative

Free format text: SCINTILLA AG, DIREKTION; ;4501 SOLOTHURN (CH)

PL Patent ceased