[发明专利]光学检测型化学传感器

说明书

一种光学检测型化学传感器，包括光源、检测元件和光电检测器。检测元件由叠层组成，在该叠层中在透明基板上形成包括化学检测层、光学干涉层和半反射镜层的多层膜。所述层的至少一层包括磁性材料。在光从没有形成叠层的透明基板的背面进入检测元件内部并且在叠层中发生的多次反射增强磁光效应的条件下，来自光源的光被施加到检测元件。通过使用光电检测器检测磁光信号来检测对象，该磁光信号指示由化学检测层中的反应导致的光学特性的变化导致的来自叠层的反射光的变化。

技术领域

本公开涉及一种检测化学物质的化学传感器，以及具体地，涉及一种依赖于叠层中的磁光效应的光学检测型化学传感器，所述叠层包括在透明基板上形成的化学检测层、半反射镜层和光学干涉层。

背景技术

近年来，检测化学物质的类型及其浓度的化学传感器已经处于开发中。在诸如燃料电池和氢汽车的各个领域，例如，氢气作为下一代能源受到关注，以及在这些领域中，正在开发检测氢气的氢气传感器作为化学传感器。氢气易于分散，易于泄漏，并且如果发生泄漏则具有非常高的爆炸风险。为了安全地使用氢气，将高度的可靠性和高度的便利性相结合的、允许安装在各种位置的的氢气传感器是必不可少的。

根据检测方法，各种类型的传感器，诸如接触燃烧型、半导体型、气体热传导型、电化学型和光学型已经被提出作为检测氢气泄漏的氢气传感器。

前三种类型在商业上广泛可用。接触燃烧型传感器通过经由与氢气接触作为Pt线线圈中电阻的变化来检测催化燃烧产生的热量，从而检测氢气。该传感器由于用于获得与气体浓度成比例的输出的能力而具有优异的定量性，以及适用于检测高浓度氢气的泄漏。半导体型传感器通过在氧化物半导体(例如SnO₂)的表面的氢还原反应引起的电阻变化来检测氢气，并且适用于检测低浓度的氢气。气体热传导型传感器依赖于相关气体和标准气体(通常是空气)之间的热导率的差异。所述传感器依赖于氢气的热导率远高于其他可燃气体的特性，并且用于检测高浓度氢气。这些传感器的响应时间通常范围从一秒到几十秒。

所述进入普遍使用的氢气传感器通常需要高操作温度，以提高响应速度、清洁效果等等，通常在200℃或更高温度下操作。此外，每种类型的传感器都以电信号的形式捕获元件的响应，因此，与氢气接触的电路中的过大电流或火花会造成点燃的风险。

已经提出通过光学方法来检测氢气泄漏的光学检测型氢气传感器作为避免由电路引起的爆炸风险的传感器。

在一种提出的技术中，将光施加到检测催化剂，该检测催化剂在与氢气接触时光吸收发生变化，以及通过接收已经穿过或被检测催化剂反射的光来检测氢气。在另一种提出的技术中，发射激光束，并检测由氢气产生的拉曼散射光。在这些氢气传感器中，透射光、反射光或拉曼散射光的强度变化作为检测信号被检测。因此，来自光源的输出中的波动或进入测量光的光学路径的灰尘可能导致检测信号的波动，从而导致错误操作。

通过磁光效应检测氢气泄漏的光学检测型氢气传感器已作为可以避免由于光源的输出中的波动和灰尘的影响而导致错误操作的问题的光学检测型氢气传感器被提出。

氢气传感器具有由包括氢气检测层、磁性层、光学干涉层和反射层的薄膜层叠层构成的检测元件。在光从形成有氢气检测层的检测元件的表面进入检测元件的内部并且在叠层中发生的多次反射导致入射光的磁光效应(例如，偏振角度的变化)增强的条件下发射光，以及测量是来自检测元件的反射光的磁光信号来检测氢气。当氢气检测层与氢气接触时，叠层中发生的多次反射的状态发生变化，导致磁光信号发生很大变化，从而能够以高灵敏度来检测氢气。磁光信号(例如，偏振角度的变化)不受测量光的强度的波动的影响，因此，利用该类型的传感器，可以以稳定的方式检测氢气泄漏，而即使来自光源的输出有波动也不会出现错误的操作。

发明内容