JP2894829B2 - Polyimide waveguide as optical sensor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、蒸気相の液体、特に蒸気相の極性液体の定
量的検出、及びNH3,“NH4OH",NO2及びN2O5の検出に使用
される光学センサーとしてのポリイミド導波管に関す
る。The invention is used for the quantitative detection of liquids in the vapor phase, in particular polar liquids in the vapor phase, and for the detection of NH 3 , “NH 4 OH”, NO 2 and N 2 O 5. The present invention relates to a polyimide waveguide as an optical sensor.
ポリイミド類は導波管の材料として、並びにオプトエ
レクトロニクスに於ける電子埋封材料のコーティング及
び充填材として使用される。ポリイミドのこの有用性
は、ポリイミドの表面付近の液体成分の蒸気相の相互作
用による“湿度”に対するその感受性から発生する。湿
度測定値は通常2つの方法で得られる。例えば、毛髪湿
度計法では毛髪若しくは紡織繊維の長さの湿度に対する
依存関係が、とりわけ特別に調製された毛髪及び紡織繊
維を用いて測定される。もう一つの方法では、容量性処
理がポリマーフィルムを用いて行われ、“湿度”は静電
容量の変化によって測定される(湿気及び温度の指示装
置である、ドリーゼン+ケルンカンパニー,タングステ
ット,のHMI32モデルの製品説明書を参照のこと)。Polyimides are used as waveguide materials and as coatings and fillers for electronic embedding materials in optoelectronics. This utility of the polyimide arises from its sensitivity to "humidity" due to the interaction of the vapor phase of the liquid components near the surface of the polyimide. Humidity measurements are usually obtained in two ways. For example, in the hair hygrometer method, the dependence of the length of the hair or textile fibers on the humidity is measured, in particular with specially prepared hair and textile fibers. In another method, a capacitive treatment is performed using a polymer film, and the "humidity" is measured by a change in capacitance (a humidity and temperature indicating device, Driesen + Cologne Company, Tangstet). See the product description for the HMI32 model).
さらに、単層式ポリイミド導波管は水の定性測定のた
めの未硬化ポリイミドフィルムを用いるセンサーとして
知られている(アプライド フィジカル レターズ(Ap
pl.Phys.Lett.)、52巻、第10頁、1988年)。しかしな
がら、これらの装置は水及び他の液体の定量的検出はで
きない。Further, a single-layer polyimide waveguide is known as a sensor using an uncured polyimide film for qualitative measurement of water (Applied Physical Letters (Ap.
pl.Phys. Lett.), 52, page 10, 1988). However, these devices do not allow for the quantitative detection of water and other liquids.
従って、“湿度”すなわち、空気中の水分含量及び、
特定の分子を含む液体の蒸気相中の該分子の含有量を、
定量的に測定するための測定計画を提供する必要があ
る。Therefore, "humidity", ie the moisture content in the air, and
The content of a particular molecule in the vapor phase of the liquid containing the molecule is
It is necessary to provide a measurement plan for quantitative measurement.
驚くべきことは、蒸気相中の液体分子、特に蒸気相中
の極性分子がポリイミド表面との光学的異方性相互作用
に関与しており、該相互作用が光学的に検出及び定量測
定できることが見出されている。本発明の光学センサー
は繰り返し使用することができる。Surprisingly, liquid molecules in the vapor phase, especially polar molecules in the vapor phase, are involved in the optically anisotropic interaction with the polyimide surface, and the interaction can be optically detected and quantitatively measured. Have been found. The optical sensor of the present invention can be used repeatedly.
光学センサーとして機能し、周知の測定方法と比較し
て幾つかの利点を有するポリイミド導波管を製造するこ
とにより、この目的を達成することができた。This objective has been achieved by producing a polyimide waveguide that functions as an optical sensor and has several advantages over known measurement methods.
該測定方法は以下の特徴を有する: a)検出及び測定が光学的に行われる; b)検出された信号をデジタル表示できる; c)該方法は二偏光の位相差を比較測定するものであ
り、よって絶対値の変動に左右されず、そのために位相
差の正確な測定を可能にする; d)該センサーは種々の圧力条件下と同様に真空中でも
機能できる; e)該方法は蒸気相にある液体、特に極性液体に対して
機能する;及び f)該方法は水と他の液体を別々に識別することができ
る。The measuring method has the following features: a) the detection and measurement are performed optically; b) the detected signal can be digitally displayed; c) the method compares and measures the phase difference of the two polarized light. Independent of the variation of the absolute value, thus allowing an accurate measurement of the phase difference; d) the sensor can function in vacuum as well as under various pressure conditions; e) the method can be applied to the vapor phase Works for some liquids, especially polar liquids; and f) The method can distinguish water and other liquids separately.
本発明は最低二層のポリアミド−イミド若しくはペル
フルオロ化ポリイミドを含むポリイミド導波管、及び該
導波管を用いての湿度検出方法に関する。The present invention relates to a polyimide waveguide containing at least two layers of polyamide-imide or perfluorinated polyimide, and a method for detecting humidity using the waveguide.
本発明の目的は、ポリイミド導波管を蒸気相中の液体
を検出するための光学センサーとして使用することにあ
る。It is an object of the present invention to use a polyimide waveguide as an optical sensor for detecting liquid in a vapor phase.
本発明の別の目的は、ポリイミド導波管をNH3,“NH4O
H",NO2及びN2O5を検出するための光学センサーとして使
用することにある。Another object of the present invention is to provide a polyimide waveguide with NH 3 , “NH 4 O
H ", is to use as an optical sensor for detecting the NO 2 and N 2 O 5.
本発明の更に別の目的は、蒸気相中の液体を検出する
ための光学センサーとして、ストリップ導波管、干渉計
構造体若しくは指向性カプラー構造体の形状をとる構造
体化ポリイミド導波管を使用することにある。Still another object of the present invention is to provide a structured polyimide waveguide in the form of a strip waveguide, an interferometer structure or a directional coupler structure as an optical sensor for detecting a liquid in a vapor phase. To use.
ポリイミド導波管は、例えばHFDA−ODA,HFDA−HFDAM
−33,HFDA−HFDAM−44若しくはHFDA−HFDAM−33及びHFD
A−HFDAM−44の組合せのようなポリアミド−イミド類及
びペルフルオロ化ポリイミド類(“ポリイミド(類)”
と呼ぶ)を含む。これらの略号の意味を以下に示す: HFDA:ヘキサフルオロ−イソ−プロピリデン−2,2′−ジ
(フタリックアンヒドライド) ODA:オキシジアニン HFDAM−33:ヘキサフルオロ−イソ−プロピリデン−2,
2′−ジ(3−アミノベンゼン)及び HFDAM−44:ヘキサフルオロ−イソ−プロピリデン−2,
2′−ジ(4−アミノベンゼン)。Polyimide waveguide, for example, HFDA-ODA, HFDA-HFDAM
-33, HFDA-HFDAM-44 or HFDA-HFDAM-33 and HFD
Polyamide-imides and perfluorinated polyimides such as the combination of A-HFDAM-44 ("polyimide (s)")
). The meanings of these abbreviations are shown below: HFDA: hexafluoro-iso-propylidene-2,2'-di (phthalic anhydride) ODA: oxydianine HFDAM-33: hexafluoro-iso-propylidene-2,
2'-di (3-aminobenzene) and HFDAM-44: hexafluoro-isopropylidene-2,
2'-di (4-aminobenzene).
本発明により使用されるポリイミド類は以下の構造式
を有する: 式中、nはHFDA−ODAについては50,000ないし100,000
の整数を示し、HFDA−HFDAM−33については50,000ない
し80,000の整数を示し、かつHFDA−HFDAM−44について
は50,000ないし100,000の整数を示す。The polyimides used according to the invention have the following structural formula: Where n is 50,000 to 100,000 for HFDA-ODA
Of HFDA-HFDAM-33, and an integer of 50,000 to 100,000 for HFDA-HFDAM-44.
特に好ましい導波管はHFDA−ODA、若しくはHFDA−HFD
AM−33及びHFDA−HFDAM−44の組合せを含む。Particularly preferred waveguides are HFDA-ODA or HFDA-HFD
Includes combinations of AM-33 and HFDA-HFDAM-44.
該ポリイミド導波管は、TM及びTEモードの偏光をポリ
イミド層(類)中の同位相でカップリングさせるように
構成される。TMは横磁気偏光を意味し、TEは横電気偏光
を意味する。TM偏光はそれにより電磁波の電場“E"ベク
トルが該ポリイミドフィルム表面に対して垂直に振動す
るような偏光である。TE偏光はそれにより電磁波の電場
“E"ベクトルが該ポリイミドフィルム表面に対して平行
に振動するような偏光である。ポリイミド層の表面上の
空気は、同位相のTM及びTEモードと光学的に相互作用し
て位相撹乱(複屈折変化)を起こさせ、これを光学的に
測定して空気中の液体蒸気の分子類を同定及び定量する
ことができる。The polyimide waveguide is configured to couple TM and TE mode polarized light in phase in the polyimide layer (s). TM means transverse magnetic polarization, and TE means transverse electric polarization. TM polarization is such that the electric field "E" vector of the electromagnetic wave oscillates perpendicular to the polyimide film surface. The TE polarization is such that the electric field "E" vector of the electromagnetic wave oscillates parallel to the polyimide film surface. The air on the surface of the polyimide layer optically interacts with the in-phase TM and TE modes to cause phase disturbance (birefringence change), which is measured optically to measure the molecules of the liquid vapor in the air. Can be identified and quantified.
“湿度”測定のために製造されるポリイミド導波管
は、以下のような最低四層を用いて配置してもよい: 四層式導波管については、被覆層/ポリイミド層/ポ
リイミド層/支持体。Polyimide waveguides manufactured for "humidity" measurements may be arranged using a minimum of four layers as follows: For a four-layer waveguide, the coating layer / polyimide layer / polyimide layer / Support.
好ましくは、四層式導波管を用いる。追加のポリイミ
ド層を加えて補助層を持つ導波管を形成してもよい。Preferably, a four-layer waveguide is used. An additional polyimide layer may be added to form a waveguide with an auxiliary layer.
該ポリイミド導波管の四層及びそれ以上の層の配置の
両方において、蒸気相を含む“空気”は被覆層として機
能し、支持体は好ましくはガラスである。もっとも、該
支持体は透明で該ポリイミド層の屈折率よりも低い屈折
率を有するいずれの支持体でもよい。In both the four and more layers arrangement of the polyimide waveguide, the "air" containing the vapor phase acts as a coating layer and the support is preferably glass. However, the support may be any support that is transparent and has a refractive index lower than the refractive index of the polyimide layer.
四層を有する導波管は好ましくはHFDA−HFDAM−33及
びHFDA−HFDAM−44のいずれかの層を含む。The waveguide having four layers preferably includes any of the layers HFDA-HFDAM-33 and HFDA-HFDAM-44.
HFDA−HFDAM−33及びHFDA−HFDAM−44は完全に硬化さ
せて良好で安定な導波管に利用することができる。HFDA-HFDAM-33 and HFDA-HFDAM-44 can be completely cured and used for good and stable waveguides.
HFDA−HFDAM−33及びHFDA−HFDAM−44を含む二層を導
波管として用いることにより、測定感度を最大10倍まで
増加させることができる。By using the two layers including HFDA-HFDAM-33 and HFDA-HFDAM-44 as the waveguide, the measurement sensitivity can be increased up to 10 times.
四層式導波管の一例は次のような配置の層を含む: 被覆層/HFDA−HFDAM−33からなる上層(“33“と呼
ぶ)/HFDA−HFDAM−44からなる下層(“44"と呼ぶ)/
支持体。屈折率“n"は以下のようなパラメーターを有す
ることになる: nTE(上層)はおよそ、若しくはほぼnTE(下層)に等
しい;かつ nTM(上層)はnTM(下層)よりも大きい。One example of a four-layer waveguide includes the following arrangements of layers: cladding layer / upper layer consisting of HFDA-HFDAM-33 (called "33") / lower layer consisting of HFDA-HFDAM-44 ("44"). ) /
Support. The index of refraction “n” will have the following parameters: n TE (upper) is approximately or approximately equal to n TE (lower); and n TM (upper) is greater than n TM (lower) .
この場合nTE(33)=1.543、nTE(44)=1.541、nTM
(33)=1.538及びnTM(44)=1.516である; 但し、nTEはTE偏光に体する屈折率であり、nTMはTM偏
光に対する屈折率である。該導波管を形成するのに用い
られる層類(33及び44)はTM偏光に関して、下層(44)
はnTMが低いためにTMモードを透過させないという点に
おいて識別可能である。逆に言えば、TMモードは上層
(33)にのみ透過される。もっとも、両層のnTEがほぼ
等しいために、TEモードは両ポリイミド層に透過され
る。TMモードは上層に限られた短い距離を通過するため
に、ポリイミド表面におけるTMモード光の強度が増大さ
れ、それにより、両方の層のより長い距離を通過しそれ
に対応して空気との相互作用の強度がより小さいTEモー
ドと比較すると、空気との異方性相互作用を増大させ、
その位相シフトを増幅させる。このようにして、該表面
におけるTM分極に対する位相撹乱が増加し、装置の感度
(図7参照)の増大させる。In this case, n TE (33) = 1.543, n TE (44) = 1.541, n TM
(33) = 1.538 and n TM (44) = 1.516; where n TE is the refractive index for TE polarized light and n TM is the refractive index for TM polarized light. The layers (33 and 44) used to form the waveguide are the lower layers (44) for TM polarization.
Are distinguishable in that they do not transmit TM mode because of low nTM. Conversely, the TM mode is transmitted only to the upper layer (33). However, the TE mode is transmitted to both polyimide layers because n TE of both layers is almost equal. Since the TM mode travels a short distance limited to the upper layer, the intensity of the TM mode light at the polyimide surface is increased, thereby traveling a longer distance in both layers and correspondingly interacting with air. Increases the anisotropic interaction with the air,
Amplify the phase shift. In this way, the phase disturbance to the TM polarization at the surface increases, increasing the sensitivity of the device (see FIG. 7).
本発明の光学センサーを用いて、蒸気相にある液体、
例えば水、C1−C3アルコール類、ガソリン、光加熱燃料
油及びC1−C3カルボン酸類、を検出及び測定することが
可能である。さらに、NH3,NH4OH,NO2及びN2O5を検出及
び測定することが可能である。該光学センサーを水及び
C1−C3アルコール類、若しくはそれらの混合物の検出に
用いるのは好ましい。該センサーを単一タイプの分子若
しくは二タイプの分子の混合物の検出に利用するのも好
ましい。Using the optical sensor of the present invention, a liquid in a vapor phase,
For example, water, C 1 -C 3 alcohol, gasoline, light heating fuel oil and C 1 -C 3 carboxylic acids, it is possible to detect and measure. Furthermore, it is possible to detect and measure NH 3 , NH 4 OH, NO 2 and N 2 O 5 . The optical sensor is
It is preferable to use it for detecting C 1 -C 3 alcohols or a mixture thereof. It is also preferred to use the sensor for detecting a single type of molecule or a mixture of two types of molecules.
ポリイミド導波管は、ストリップ導波管、干渉計構造
体若しくは指向性カプラー構造体等の形状をとる、液体
検出用光学センサーとして使用することもできる。Polyimide waveguides can also be used as optical sensors for liquid detection, taking the form of strip waveguides, interferometer structures or directional coupler structures.
該光学センサーは、ポリイミド表面と湿気を含む空気
の間の平衡に影響を与える他の物理的性質(例えば、局
部圧力、温度及び電場)を検出するために使用してもよ
い。これの一例が、一定の湿度に対して、赤外線若しく
はマイクロ波がポリイミドフィルムに吸収された際に吸
着/脱着平衡が変化するような時に観察される。この照
射吸収が局所温度を上昇させ、該表面に異なる局所相対
湿度をもたらす。該ポリイミド表面における相対湿度の
変化を、本発明によって検出及び測定することができ
る。The optical sensor may be used to detect other physical properties that affect the equilibrium between the polyimide surface and moist air, such as local pressure, temperature and electric field. An example of this is observed when, for a given humidity, the adsorption / desorption equilibrium changes when infrared or microwave is absorbed by the polyimide film. This radiation absorption raises the local temperature, resulting in a different local relative humidity on the surface. Changes in relative humidity at the polyimide surface can be detected and measured by the present invention.
該ポリイミド導波管が光学センサーとして使用できる
のは、分子の、該ポリイミド骨格中の極性イミド基との
相互作用に由来している。蒸気相中の各タイプの分子
は、種々の時間間隔において該ポリイミド導波管によっ
て各分子が吸着及び脱着される時間定数に関連づけら
れ、それにより蒸気相混合物中で識別することができ
る。得られた異方性(複屈折変化)の強度が、該蒸気相
空気中のその特定の分子の濃度に対応する。The polyimide waveguide can be used as an optical sensor due to the interaction of molecules with polar imide groups in the polyimide skeleton. Each type of molecule in the vapor phase is associated with a time constant at which each molecule is adsorbed and desorbed by the polyimide waveguide at various time intervals, so that it can be identified in the vapor phase mixture. The intensity of the resulting anisotropy (birefringence change) corresponds to the concentration of that particular molecule in the vapor phase air.
図面の簡単な説明: 図1は本発明による、液体の蒸気相にある極性分子を
測定するために用いられる器械を示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows an instrument used to measure polar molecules in the vapor phase of a liquid according to the present invention.
図2は、TE及びTM分極に整合するモードがHFDA−ODA
のどのフィルムの厚みで得られるかを決定するための、
フィルムの厚み(μm)対有効屈折率(Neff)のグラフ
である。FIG. 2 shows that the mode matching the TE and TM polarizations is HFDA-ODA.
To determine at what film thickness
5 is a graph of film thickness (μm) versus effective refractive index (N eff ).
図3は、図2のグラフから決定されたTE/TM交差点を
描く、強度対カップリング角度(τ)のグラフである。FIG. 3 is a graph of intensity versus coupling angle (τ) depicting the TE / TM intersection determined from the graph of FIG.
図4はHFDA−ODAをポリイミド導波管材に用いた場合
の、複屈折変化(ΔNeff・10-3)及びそれに対応する空
気中湿度を表す検量線である。FIG. 4 is a calibration curve showing a change in birefringence (ΔN eff · 10 −3 ) and a corresponding humidity in the air when HFDA-ODA is used for a polyimide waveguide material.
図5はHFDA−ODA導波管上で水について測定された複
屈折変化,ΔNeff,の時間依存性のグラフである。FIG. 5 is a graph of the time dependence of the birefringence change, ΔN eff , measured for water on an HFDA-ODA waveguide.
図6は、水及びメタノールの混合物を濃厚にした場合
の、HFDA−HFDAM−33の三層式導波管の異方性反応、複
屈折変化ΔNeff・10-5対時間〔s〕のグラフである。FIG. 6 is a graph of the anisotropic reaction of the three-layered waveguide of HFDA-HFDAM-33 and the change in birefringence ΔN eff · 10 −5 vs. time [s] when the mixture of water and methanol is concentrated It is.
図7は、ある整合モードにより高感度が得られること
を例証する、ガラス上のHFDA−HFDAM−33/HFDA−HFDAM
−44からなる四層式導波管における複屈折変化ΔNeff・
10-5対種々の指数整合モード,mTE/mTM,のグラフであ
る。FIG. 7 illustrates that high sensitivity is obtained with certain matching modes, HFDA-HFDAM-33 / HFDA-HFDAM on glass.
Birefringence change ΔN eff
10 is a graph of 10 -5 versus various exponential matching modes, m TE / m TM .
図8は、蒸気相中の石油ガソリンの存在に対する該ポ
リイミド導波管光学センサーの感度を描く、強度対時間
のグラフである。FIG. 8 is a graph of intensity versus time depicting the sensitivity of the polyimide waveguide optical sensor to the presence of petroleum gasoline in the vapor phase.
図9は、三層式及び四層式ポリイミド光学導波管の両
方における構造上の配置を描く。FIG. 9 depicts the structural arrangement in both three-layer and four-layer polyimide optical waveguides.
“湿度”を測定するために使用してよい一態様が、図
1に示す器械である。He−Neレーザー光(1)が二分の
一波長板(2)を通過し、該二分の一波長板が該レーザ
ー光を(TE及びTMモードが等しくなるように)45゜に偏
光させ、TE及びTM偏光モードを特定の入射角,τ,で、
ポリイミドフィルム(3)でコーティングされた支持体
(4)を含むポリイミド導波管上に回転させる。該支持
体は該ポリイミドよりも低い屈折率を持つ物質であるた
めに、光は該ポリイミド中に反射される。ガラスは適当
な支持体である。重フリントガラスでできた90゜プリズ
ム(5)を該レーザービームの入射角を調整し、TM及び
TEモードを該導波管中へ、及び該導波管外へカップリン
グさせるために使用した。該ポリイミドフィルム(3)
中へカップリングされたTM及びTEモードは、一般的には
数センチメートル、好ましくは約2cmの長さでもよく、
該フィルムの表面(S)に反射され、そこで液体の蒸気
に接触し、光学的異方性相互作用が起こり、それがTM及
びTEモードの位相をシフトさせる。該TM及びTEモードは
重フリントガラスプリズム(5′)によってフィルム外
へカップリングされ、該TM及びTEモードの変化を検出す
る分析器(6)を通過する。該分析器(6)は、該TM及
びTEモードの位相の撹乱を検出できるように偏光方向に
対して90゜の角度にセットしてもよい。検出器(7)は
分析器(6)からの撹乱信号を受けて複屈折変化と呼ば
れる位相変化の絶対強度を測定し、該光学信号を何らか
の周知の手段によってディスプレーしうる電気信号に変
換する。One embodiment that may be used to measure "humidity" is the instrument shown in FIG. He-Ne laser light (1) passes through a half-wave plate (2), which deflects the laser light to 45 ° (so that the TE and TM modes are equal), And TM polarization mode at a specific angle of incidence, τ,
Spin on a polyimide waveguide containing a support (4) coated with a polyimide film (3). Light is reflected into the polyimide because the support is a material having a lower refractive index than the polyimide. Glass is a suitable support. A 90 ° prism (5) made of heavy flint glass is used to adjust the angle of incidence of the laser beam,
The TE mode was used to couple into and out of the waveguide. The polyimide film (3)
The TM and TE modes coupled into it may generally be several centimeters, preferably about 2 cm long,
The light is reflected off the surface (S) of the film, where it comes into contact with the liquid vapor, causing an optically anisotropic interaction, which shifts the phase of the TM and TE modes. The TM and TE modes are coupled out of the film by heavy flint glass prisms (5 ') and pass through an analyzer (6) that detects changes in the TM and TE modes. The analyzer (6) may be set at an angle of 90 ° with respect to the polarization direction so as to be able to detect phase disturbances in the TM and TE modes. The detector (7) receives the disturbance signal from the analyzer (6), measures the absolute intensity of a phase change called a birefringence change, and converts the optical signal into an electric signal that can be displayed by any well-known means.
該器械は、空気中の湿度による該器械中の湿度を下げ
て該装置の湿度変化に対する感受性を明らかにするため
に、シリカゲル(9)を含むガラス鐘(8)で封じても
よい。The instrument may be sealed with a glass bell (8) containing silica gel (9) to reduce the humidity in the instrument due to the humidity in the air and reveal the sensitivity of the device to changes in humidity.
望ましい結果を得るために、該湿気センサー(図1)
は特定のTEモード(例えば、TE5)及び整合TMモード
(例えば、TM6)偏光を同時に透過させるとよい。特異
的な偏光モード、例えばTE5及びTM6を、入射角τを調整
することにより該導波管中を透過するように選択しても
よい。To obtain the desired result, the humidity sensor (Figure 1)
May simultaneously transmit a particular TE mode (eg, TE 5 ) and a matched TM mode (eg, TM 6 ) polarization. Specific polarization modes, for example, TE 5 and TM 6, may be selected to transmit in the waveguide by adjusting the incident angle tau.
該湿気センサーは、TE及びTMに対する実際の屈折率パ
ラメーターから算出された理論曲線(図2)を利用する
ことにより構成されている。ここでは、図2はHFDA−OD
Aに対するこれらの曲線を描いている。The humidity sensor is constructed by utilizing a theoretical curve (FIG. 2) calculated from actual refractive index parameters for TE and TM. Here, FIG. 2 shows HFDA-OD
These curves are drawn for A.
図2に示した曲線は、適当なTE及びTMモードの有効屈
折率Neffに対する該導波管のフィルムの厚み〔μm〕を
グラフ化している。TE及びTM偏光に対するこれらの曲線
群は、平面導波管の横共鳴状態(TRC)から起こる共鳴
状態を表している。TE及びTMモードを同位相になるよう
に該ポリイミドフィルム(3)中を透過させるために
は、該TE及びTMモードを特定のフィルムの厚みに整合さ
せなければならない。モードを整合させる望ましい性状
はTM及びTE曲線の交差点に存在する。例えば、図2に示
した交差点はHFDA−ODAによる6.1μmのフィルムの厚み
におけるTE5及びTM6の整合モードに相当する。該TE及び
TMモードがポリイミドフィルム中を通過する際に該導波
管と導波管表面(S)の液体の蒸気相中の分子との間の
異方性相互作用によって起きる複屈折変化(若しくは、
位相シフト)を測定するためには、整合モードを持ち、
それにより該TE及びTMモードを同位相で透過させること
が望ましい。The curves shown in FIG. 2 graph the film thickness [μm] of the waveguide against the effective refractive index N eff for the appropriate TE and TM modes. These curves for the TE and TM polarizations represent resonances arising from the transverse resonance (TRC) of a planar waveguide. In order for the TE and TM modes to pass through the polyimide film (3) so that they are in phase, the TE and TM modes must be matched to a particular film thickness. Desirable properties for matching modes exist at the intersection of TM and TE curves. For example, the intersection shown in FIG. 2 corresponds to the alignment mode of the TE 5 and TM 6 in the thickness of the film of 6.1μm by HFDA-ODA. The TE and
As the TM mode passes through the polyimide film, the birefringence change caused by the anisotropic interaction between the waveguide and molecules in the liquid vapor phase of the waveguide surface (S) (or
To measure phase shift), it has a matching mode,
Thereby, it is desirable to transmit the TE mode and the TM mode in the same phase.
図3は、6.1μmの層の厚みを持つ異方性ポリイミド
フィルムHFDA−ODAについて測定されたモードスペクト
ル(図2)からの抜粋による、カップリング角度τに対
するモードTM5及びTE6、並びにTM6及びTE7の光学信号強
度を描いている。TM5及びTE6モードが整合すると考えら
れるのは、図2に示すようにこのフィルムの厚みにおい
てである。該表現は同じ入射角でカップリングされ得る
TE6モード(10)及びTM5モード(11)を示す。この二モ
ードは、異方性相互作用がそれらを異位相にずらした後
も整合モードが十分に重なり合うような範囲に重なり合
っている。それゆえに該強度も十分に測定できるだけ強
い。該図はまた、6.1μmの厚みのHFDAポリイミドにつ
いてはTE7及びTM6モードは異位相にあり、それゆえに整
合していないことを示している。図3に表されている時
間は、複屈折変化が測定される以前の(蒸気相の)初期
状態である。FIG. 3 shows the modes TM 5 and TE 6 for the coupling angle τ and TM 6 from the mode spectrum (FIG. 2) extracted from the anisotropic polyimide film HFDA-ODA with a layer thickness of 6.1 μm. and it depicts the optical signal intensity of the TE 7. The believed TM 5 and TE 6 modes are matched is in the thickness of the film as shown in FIG. The representation can be coupled at the same angle of incidence
The TE 6 mode (10) and the TM 5 mode (11) are shown. The two modes overlap in a range where the matched modes overlap sufficiently after the anisotropic interaction shifts them out of phase. Therefore, the intensity is as strong as possible. The figure also shows that for 6.1 μm thick HFDA polyimide, the TE 7 and TM 6 modes are out of phase and therefore are not matched. The time depicted in FIG. 3 is the initial state (in the vapor phase) before the birefringence change is measured.
図3に示されるTE及びTMモードの重なり合いは、図2
の交差点から選択された厚みの導波管を製造することに
より実験的に保証される。該フィルムの厚みは、ポリイ
ミド溶液からフィルムを製造するのに用いられるフォト
レジスト遠心において特定の遠心スピードの回転を選択
することにより得られる。The overlap of the TE and TM modes shown in FIG.
Is experimentally guaranteed by manufacturing a waveguide of selected thickness from the intersection of. The thickness of the film is obtained by selecting a spin at a particular centrifugal speed in the photoresist centrifuge used to make the film from the polyimide solution.
実施例 実施例1 材料HFDA−ODAに対する検量線の作成: 図4に材料HFDA−ODAに対する平衡にある複屈折変化
ΔNeff・10-3,ΔNeff=NTE6−NTM5,を表す検量線を、空
気中に湿気に対する相対湿度RH〔%〕に対して描いた。
該異方性測定値は0から100%の全範囲において得られ
た。この検量線は、どのポリイミド導波管及び極性分子
が利用されるかに依存する。EXAMPLES Example 1 Preparation of Calibration Curve for Material HFDA-ODA: FIG. 4 shows a calibration curve representing the birefringence changes ΔN eff · 10 −3 and ΔN eff = N TE6 −N TM5 at equilibrium for the material HFDA-ODA. , Relative humidity RH [%] to humidity in the air.
The anisotropy measurements were obtained in the entire range of 0 to 100%. This calibration curve depends on which polyimide waveguide and polar molecule is used.
実施例2 湿った空気による容器の排気及び換気: 試験容器の排気期間中に様々な強度変動が観察され
た。これらの変動を評価して、直接関係のある光学的複
屈折変化ΔNeffを時間〔s〕の関数として表すことがで
きた。図5は、HFDA−ODA導波管上における水の、第一
期間(12)(平衡に達する以前)については吸着、及び
第二期間(13)(平衡に達した以後)については脱着に
よるこの変動を示している。平衡とは、吸着及び脱着が
平衡にあるか若しくは等しい状態のことである。ここで
のΔNeffは透過されたTE及びTM偏光モードの位相差若し
くは複屈折変化から得られた指数差である。それぞれの
場合において、吸着スピードを意味する反応定数を谷底
型曲線に関連させることができた。Example 2 Vent and Ventilation of Vessel with Wet Air: Various intensity fluctuations were observed during the evacuation of the test vessel. By assessing these variations, the directly related optical birefringence change ΔN eff could be expressed as a function of time [s]. FIG. 5 shows that water on the HFDA-ODA waveguide is adsorbed during the first period (12) (before equilibrium) and desorbed during the second period (13) (after equilibrium). The fluctuation is shown. Equilibrium is the state where adsorption and desorption are at or equal to equilibrium. Here, ΔN eff is an index difference obtained from the phase difference or birefringence change of the transmitted TE and TM polarization modes. In each case, the reaction constant, meaning the adsorption speed, could be related to the valley bottom curve.
実施例3 アルコール/水混合物の感度測定: HFDA−HFDAM−33/HFDA−HFDAM−44二重層を含む四層
式導波管の周囲の空気中にメタノール及び水の混合物を
濃厚にしたところ、該センサーは最初に特定の速度定数
で水に反応し、次に該アルコールに反応した。Example 3 Sensitivity Measurement of an Alcohol / Water Mixture: A mixture of methanol and water was enriched in air around a four-layer waveguide containing a HFDA-HFDAM-33 / HFDA-HFDAM-44 bilayer. The sensor first responded to water with a specific rate constant and then to the alcohol.
これはさらに、HFDA−HFDAM−33を用いた三層式導波
管において時間〔s〕に対する複屈折変化ΔNeff・10-5
を描いている図6により明らかにされる。該曲線はメタ
ノール(15)に比較した際に異なる曲線を水(14)に対
して採用していることが観察された。該センサーは、水
に対するその感度とは異なる、特異な感度(ΔNeff/t)
でメタノールに感応し、それにより水をメタノールとは
別に識別できるようにしている。時間は秒で示してあ
る。Further, in a three-layer waveguide using HFDA-HFDAM-33, the birefringence change ΔN eff · 10 −5 with respect to time [s]
FIG. It was observed that the curve adopted a different curve for water (14) when compared to methanol (15). The sensor has a unique sensitivity (ΔN eff / t) different from its sensitivity to water
At the same time, so that water can be distinguished from methanol. Time is shown in seconds.
水に対する曲線(14)及びメタノールに対する曲線
(15)は とする周知の拡散過程分析方法を用いて計算するが、該
識中、Cは該分子の濃度に関する定数を示し、dは個々
の分子タイプに対する拡散係数を示し、tは時間を示
す。該曲線は、異なる分子それぞれについて特有であっ
て、種々の分子の同定を可能にするものと考えられる。The curve for water (14) and the curve for methanol (15) Where C is a constant relating to the concentration of the molecule, d is the diffusion coefficient for each molecule type, and t is the time. It is believed that the curves are unique for each different molecule and allow the identification of various molecules.
分子の濃度は、混合物中の該分子に対する平衡時の複
屈折変化(図6に示されるもの等)を該分子に対する検
量線中の対応する複屈折変化(図4に示されるもの等)
と比較することにより得ることができる。分析されるサ
ンプル中のその分子の濃度は該検量線から読み取ること
ができる。The concentration of a molecule is determined by the change in equilibrium birefringence for the molecule in the mixture (such as that shown in FIG. 6) and the corresponding birefringence change in the calibration curve for that molecule (such as that shown in FIG. 4).
It can be obtained by comparing with. The concentration of that molecule in the sample to be analyzed can be read from the calibration curve.
分析すべき特異的分子の検量線を作成するためのデー
タを含むメモリー及び時間に対する複屈折変化のデータ
を生成する能力を備える図1の検出器(7)を提供する
ことにより、特定の分子に対する平衡点における複屈折
変化を決定することができ、検量線と比較して該分子の
同定及び濃度決定を自動的に行うことができる。By providing the memory (7) containing data for generating a calibration curve for the specific molecule to be analyzed and the ability to generate birefringence change data over time, the detector (7) of FIG. The change in birefringence at the equilibrium point can be determined, and the identification and concentration determination of the molecule can be automatically performed by comparison with a calibration curve.
実施例4 図はHFDA−HFDAM−33/HFDA−HFDAM−44四層式導波管
による、42%の相対空気湿度(16)及び排気状態(17)
における、TE及びTMモードについての整合モードである
mTE/mTMに対する、複屈折変化ΔNeff・10-5を表示して
ある。記号、“m"、はTE及びTMに関する“モードオーダ
ー”を表す。Example 4 The figure shows a HFDA-HFDAM-33 / HFDA-HFDAM-44 four-layer waveguide, 42% relative air humidity (16) and exhaust conditions (17).
Is the matching mode for TE and TM modes
The birefringence change ΔN eff · 10 -5 with respect to m TE / m TM is shown. The symbol "m" represents "mode order" for TE and TM.
従って、図7に異なるモード整合を用いた場合の該セ
ンサーの感度を示す。測定はTE及びTM偏光の異なる三種
のモード整合について行った。表示されたΔNeff値は、
三例全てにおいて42%の空気中湿度(湿気)に対応す
る。4/1のモード整合を用いた場合、より高いモードの
組合せである6/4及び8/7と比較すると、測定感度の増大
から明らかに認められる。4/1は、mTE=4及びmTM=1
となる位相整合を表す。この整合の例では、TMモード、
すなわちmTE=1、は上部のHFDA−HFDAM−33層のみに透
過されるものとして使用された。最後に述べたモードは
“表面モード”と呼ぶことができる。Therefore, FIG. 7 shows the sensitivity of the sensor when using different mode matching. The measurement was performed for three types of mode matching with different TE and TM polarizations. The displayed ΔN eff value is
All three cases correspond to an air humidity (humidity) of 42%. Using 4/1 mode matching is clearly evident from the increase in measurement sensitivity when compared to the higher mode combinations 6/4 and 8/7. 4/1 is m TE = 4 and m TM = 1
Represents the phase matching. In this matching example, the TM mode,
That is, m TE = 1 was used as being transmitted only through the upper HFDA-HFDAM-33 layer. The last-mentioned mode can be referred to as "surface mode".
“表面モード”という表現は、該モードが表面で特に
高い強度を示し、それによって高い消散場をもたらすm
TM≦2のことを意図している。これらの表面モード、m
TE=0,1若しくは2、は一般に二ポリイミド層の上部層
中に透過されると思われ、それは該導波管の感度を増大
させることができることを意味する。一方、“空間モー
ド”はフィルムの内部において高い強度を示し、表面に
はごく弱い消散場しか示さず、mTM>2である。空間モ
ード、mTE=2,3,4等、は一般に表面において高い強度を
示すと思われ、それゆえに四層式導波管中ほどには高い
感度を示さないと思われる。空間モードは両方のポリイ
ミド層に透過される。The expression “surface mode” means that the mode exhibits a particularly high intensity at the surface, thereby resulting in a high dissipation field
It is intended that TM ≦ 2. These surface modes, m
TE = 0,1, or 2, generally appears to be transmitted into the top layer of the two polyimide layers, which means that the sensitivity of the waveguide can be increased. On the other hand, "spatial mode" indicates a high strength in the interior of the film, show only very weak dissipation field on the surface is m TM> 2. Spatial modes, m TE = 2,3,4, etc., generally appear to exhibit high intensity at the surface and therefore do not appear to be as sensitive as in a four-layer waveguide. The spatial mode is transmitted through both polyimide layers.
実施例5 エタノール蒸気の測定: 実施例3に述べた四層式ポリイミドセンサーを密封容
器で囲んだ。その後、封入された空気容量(20℃、65%
RH)にエタノール蒸気を濃厚にした。この場合、3μl/
m3未満のC2H5OHを検出することができた。Example 5 Measurement of Ethanol Vapor: The four-layer polyimide sensor described in Example 3 was enclosed in a sealed container. After that, the enclosed air volume (20 ℃, 65%
RH) with ethanol vapor. In this case, 3 μl /
C 2 H 5 OH less than m 3 could be detected.
実施例6 実施例5に関連して述べた取り合わせを用いて、プロ
パノールに対する感度を測定した。この場合、感度限界
は1ml/m3 C3H7OHのレベルであった。Example 6 Sensitivity to propanol was determined using the arrangement described in connection with Example 5. In this case, the sensitivity limit was at the level of 1 ml / m 3 C 3 H 7 OH.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−32151(JP,A) 特開 平2−210308(JP,A) 特開 平1−84205(JP,A) 特開 昭63−311306(JP,A) 特開 昭63−40105(JP,A) 特開 昭62−204209(JP,A) 特開 昭62−187705(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/74 G02B 6/02 EPAT WPI/L──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-64-32151 (JP, A) JP-A-2-210308 (JP, A) JP-A-1-84205 (JP, A) JP-A 63-321 311306 (JP, A) JP-A-63-40105 (JP, A) JP-A-62-204209 (JP, A) JP-A-62-187705 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. 6, DB name) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/74 G02B 6/02 EPAT WPI / L
Claims (13)
サーとしてのポリイミド導波管において、該ポリイミド
導波管が支持体(4)上をコーティングする最低二層の
ポリアミド−イミド若しくはペルフルオロ化ポリイミド
(3)から成り、当該導波管がポリアミド−イミド若し
くはペルフルオロ化ポリイミドの表面で、液体蒸気の被
覆層に接触するように適合していることを特徴とし、該
ポリイミド導波管のnTM上層がnTM下層よりも大きく、且
つnTE上層がnTE下層にほぼ等しいもの。1. A polyimide waveguide as an optical sensor for measuring a liquid in a vapor phase, wherein said polyimide waveguide has at least two layers of polyamide-imide or perfluorinated coating on a support (4). made of polyimide (3), the waveguide polyamide - imide or surface of the perfluorinated polyimide characterized in that is adapted to contact the coating layer of the liquid vapor, n TM of the polyimide waveguide The upper layer is larger than the nTM lower layer, and the nTE upper layer is substantially equal to the nTE lower layer.
−HFDAM−44/支持体であり、HFDA−HFDAM−33がヘキサ
フルオロ−イソ−プロピリデン−2,2′−ジ(3−アミ
ノベンゼン)を意味し、HFDA−HFDAM−44がヘキサフル
オロ−イソ−プロピリデン−2,2′−ジ(4−アミノベ
ンゼン)を意味し、該被覆層がガス空間を意味し、且つ
該支持体がガラスを意味することを特徴とする、請求項
1に記載の光学センサーとしてのポリイミド導波管。2. The arrangement of layers is as follows: coating layer / HFDA-HFDAM-33 / HFDA
HFDAM-44 / support, where HFDA-HFDAM-33 means hexafluoro-iso-propylidene-2,2'-di (3-aminobenzene) and HFDA-HFDAM-44 means hexafluoro-iso- 2. Optical according to claim 1, characterized in that it means propylidene-2,2'-di (4-aminobenzene), the coating layer means gas space and the support means glass. Polyimide waveguide as sensor.
ソリン、光加熱燃料油及びC1−C3カルボン酸類を測定す
るために用いられることを特徴とする、請求項1に記載
の光学センサーとしてのポリイミド導波管。3. The method according to claim 1, which is used for measuring water, C 1 -C 3 alcohols, gasoline, lightly heated fuel oil and C 1 -C 3 carboxylic acids in a vapor phase. A polyimide waveguide as the optical sensor described in the above.
に用いられることを特徴とする、請求項1に記載の光学
センサーとしてのポリイミド導波管。4. The polyimide waveguide as an optical sensor according to claim 1, wherein the polyimide waveguide is used for measuring NH 3 , “NH 4 OH”, NO 2 and N 2 O 5 .
プ導波管、干渉計構造体若しくは指向性複合物構造体の
形態をとることを特徴とする、請求項1に記載の光学セ
ンサーとしてのポリイミド導波管。5. The optical sensor according to claim 1, wherein the optical sensor is in the form of a strip waveguide, an interferometer structure or a directional composite structure for measuring a liquid in a vapor phase. Polyimide waveguide.
リイミド表面及び測定空間における平衡に影響を及ぼす
作用を調節若しくは測定するために用いられることを特
徴とする、請求項3及び4に記載のポリイミド導波管。6. The method according to claim 3, which is used for adjusting or measuring the effect of pressure fluctuation, electric field and microwave on the equilibrium on the polyimide surface and the measurement space. Polyimide waveguide.
イミド若しくはペルフルオロ化ポリイミドがHFDA−OD
A、HFDAM−33、HFDA−HFDAM−44若しくはHFDA−HFDAM−
33及びHFDA−HFDAM−44の組合せであることを特徴とす
る、請求項1に記載のポリイミド導波管。7. The method according to claim 7, wherein said support is glass, and said polyamide-
Imide or perfluorinated polyimide is HFDA-OD
A, HFDAM-33, HFDA-HFDAM-44 or HFDA-HFDAM-
The polyimide waveguide according to claim 1, wherein the polyimide waveguide is a combination of 33 and HFDA-HFDAM-44.
対量を測定するための装置において、支持体上をコーテ
ィングする最低二層のポリアミド−イミド若しくはペル
フルオロ化ポリイミドから本質的に成るポリイミド導波
管であって該ポリイミド導波管のnTM上層がnTM下層より
も大きく、且つnTE上層がnTE下層にほぼ等しいもの;偏
光を該ポリイミド導波管上に方向付け、該偏光をポリア
ミド−イミド若しくはペルフルオロ化ポリイミド層中に
カップリングするための手段; 該ポリイミド導波管に隣接する、液体の蒸気を受取り該
蒸気をポリアミド−イミド若しくはペルフルオロ化ポリ
イミド層に接触させる領域; 該偏光を該ポリイミド導波管外にカップリングするため
の手段;及び 該偏光の位相シフトの強度を測定するための手段; を含むことを特徴とするもの。8. An apparatus for detecting the presence of molecules in a vapor and measuring the relative amounts thereof, said polyimide comprising at least two layers of polyamide-imide or perfluorinated polyimide coated on a support. a waveguide n TM layer of the polyimide waveguide n TM greater than the lower layer, and those n TE layer is substantially equal to n TE lower; directs polarized light into the polyimide waveguide on, polarizing Means for coupling to a polyamide-imide or perfluorinated polyimide layer; an area adjacent to the polyimide waveguide for receiving a liquid vapor and contacting the vapor with the polyamide-imide or perfluorinated polyimide layer; Means for coupling out of the polyimide waveguide; and means for measuring the intensity of the phase shift of the polarized light. Mukoto those characterized by.
のTM及びTEモードを方向付けるための手段を含むことを
特徴とする、請求項8に記載の装置。9. Apparatus according to claim 8, wherein the means for directing polarization comprises means for directing the TM and TE modes of the polarization.
偏光のTM及びTEモードを約45゜の角度に方向付けるため
の手段を含むことを特徴とする、請求項8に記載の装
置。10. The apparatus of claim 8, wherein the means for directing the polarized light includes means for directing the TM and TE modes of the polarized light at an angle of about 45 °.
ペルフルオロ化ポリイミドの屈折率よりも低い屈折率を
有することを特徴とする、請求項10に記載の装置。11. The device according to claim 10, wherein the support has a refractive index lower than that of polyamide-imide or perfluorinated polyimide.
オロ化ポリイミドがHFDA−ODA、HFDA−HFDAM−33、HFDA
−HFDAM−44若しくはHFDA−HFDAM−33及びHFDA−HFDAM
−44の組合せから成る群から選択されることを特徴とす
る、請求項11に記載の装置。12. The polyamide-imide or perfluorinated polyimide is HFDA-ODA, HFDA-HFDAM-33, HFDA
-HFDAM-44 or HFDA-HFDAM-33 and HFDA-HFDAM
12. The device according to claim 11, wherein the device is selected from the group consisting of -44 combinations.
よりも大きく、且つnTE上層がnTE下層にほぼ等しいこと
を特徴とする、請求項11に記載の装置。13. n TM upper layer of the polyimide waveguide is greater than n TM layer, and n TE upper layer is equal to or approximately equal to n TE underlying Apparatus according to claim 11.
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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| JP4811757B2 (en) * | 2004-09-30 | 2011-11-09 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Mesoporous metal oxide composite optical waveguide sensor, method for producing the same, and gas sensor using the same |
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1990
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