[发明专利]光学传感器

说明书

光学透明基质，其包含嵌在基质中的含有羟基偶氮苯基团或其衍生物的分子。光学系统，其包括光学透明基质、异构化光源和用于测量来自光学透明基质的吸光度变化的装置。用于测量氢键键合气态分子的量的方法。

技术领域

本申请涉及光学透明基质、涉及包含该光学透明基质的光学系统、并涉及用于测量氢键键合气态分子的量的方法和用途。本申请还涉及测量湿度和温度的传感器和方法。

背景技术

湿度传感器用于测量空气中的湿度，通常作为一定温度下可以被空气吸收的水的最大量的分数。在正常的大气条件和给定温度下，该分数可以为0至100%不等。这样的相对湿度（RH）测量仅在上述温度和大气条件下才有效，由此使得以下事实非常重要：传感器必须不受温度或压力变化的影响。但是，由于相对湿度随着温度和绝对水分含量二者而变化，小的温度变化会转化为相对湿度的变化，因此，传感器通常具有集成的温度传感器。

湿度和水分传感器用于监测例如气体和其它材料（如油和土壤）中的湿度含量。它们还用于监测空气质量、干燥过程、保湿器等等。在工业水平上，湿度传感器广泛用于控制湿度和水分含量以改善产量和确保各种生产设施的安全与品质。在工艺操作过程中需要受控环境的设施包括例如各种化工厂、制药和半导体行业。这些工艺也常常挑战传感器的性能，因为该环境可能具有苛刻的条件或其它气体，需要高度稳定和选择性的传感器。

市场上占主导地位的湿度传感技术基于从空气中吸附水引起的聚合物基质中的介电常数变化，导致电容或电导率改变。这些方法已经非常成熟，但是它们不适于所有环境，并且许多湿度传感器发生漂移，因此它们需要定期重新校准。此外，这些技术在制造过程中需要洁净室工艺，并且在这些技术中，需要将电子器件集成到探头中，这对一些环境构成挑战，在这些环境中遥感将是优选的，或在一些情况下是唯一的选择。作为测量参数，电导率是所制造的传感器芯片的性质，因此，由于制造中的变化它也容易产生误差，并且精确的传感器需要对芯片进行特定校准。

发明概述

本申请提供了一种检测方案，该方案结合温度测量通过追踪嵌入光学透明基质中的羟基偶氮苯衍生物的热顺式-反式异构化动力学来测量环境中的相对湿度和/或其它氢键键合气体，所述光学透明基质充当活性传感层。为了使材料处于热异构化的状态，用波长能够引发反式-顺式异构化的光周期性照射该材料。这种材料的顺式-反式异构化的热异构化动力学对于从测量环境中吸附到活性传感层的氢键键合分子的存在敏感。在水的情况下，热异构化动力学与相对湿度成指数依赖关系。热异构化动力学还对测量温度敏感。在异构化之后光学测量吸光度变化。吸光度可以跟随单个或多个波长。不同的羟基偶氮苯衍生物与传感波长的组合使得能够用单个传感器层同时测量温度和多种气体。吸光度变化的光学测量可以以多种方式实施，例如通过将测量嵌入基于光纤的传感系统中。

本发明提供了一种采用低成本材料的简单的解决方案，其中可以由单个传感层光学测量温度和相对湿度二者。还可以用该传感器分辨其它氢键键合气体的存在。所测得的参数，即异构化速度，是一种材料性质，因此不依赖于确切的设备构型。因此，不需要像常规湿度传感器那样进行特定的设备校准。此外，由于不需要校准，也使得可以在传感部件已损耗的情况下容易地更换它们。

本申请提供了一种光学透明基质，其包含嵌在该基质中的含有羟基偶氮苯基团或其衍生物的分子。

本申请还提供了一种光学系统，其包含：

- 光学透明基质，

- 异构化光源，和

- 用于测量来自光学透明基质的吸光度变化的装置。

本申请还提供了一种用于测量氢键键合气态分子的量的方法，该方法包括：

- 提供光学透明基质或光学系统，

- 用能够在羟基偶氮苯基团或其衍生物中引发反式-顺式异构化的异构化光照射光学透明基质，