Сенсорний пристрій

Сенсорний пристрій, що містить оптичну ретропризму з чутливою рецепторною плівкою та дзеркальним покриттям, розташованим на одній із граней ретропризми під кутом 90° до рецепторної плівки, а також корпус з двома паралельними ка 3 32512 дорогий, компактний, придатний для роботи в польових умовах. Вказаний сенсор обрано нами за прототип. Спільними ознаками пристрою-прототипу і запропонованого нами є наявність у них оптичних ретропризм з чутливими рецепторними плівками та дзеркальними покриттями, розташованими на гранях ретропризм під кутом 90° до рецепторних плівок, а також корпусів з двома паралельними каналами, в одному з яких послідовно розміщені оптично пов'язані джерела світла, поляризатори і фокусуючі лінзи, в другому - фотодетектори, оптично пов'язані з апертурними діафрагмами, а ретропризми розміщені в непрозорих кожуха х, оптично пов'язані з фокусуючими лінзами та апертурними діафрагмами і з'єднані з корпусами пружними перемичками та регулювальними гвинтами, так що між ретропризмами і корпусами існують регульовані клиноподібні проміжки. Причиною, що в пристрої-прототипі заважає досягненню поставленої мети, є те, що змінна зйомна рецепторна плівка (надалі - рецептор), яка використовується, має з поверхнею ретропризми оптичний (і механічний) контакт відносно великої площі. В польових умовах існує значна імовірність попадання на цю площу сторонніх порошинок розміром ~0,1-0,3мм. Така порошинка призводить до неконтрольованого кутового відхилення (~0,3-1°) поверхні рецептора відносно площини поверхні ретропризми, що погіршує точність вимірювань. В пристрої-прототипі через присутність сторонніх порошинок між рецептором та ретропризмою має місце поступове механічне пошкодження їх оптично полірованих поверхонь. Крім того, пристрійпрототип має обмежену швидкодію, оскільки цьому перешкоджає опір в'язкого тертя імерсійної рідини, яку необхідно використовувати при роботі зі змінними рецепторами. В основу покладено завдання створити сенсорний пристрій, в якому шля хом удосконалення конструкції можна було б усун ути вплив сторонніх порошинок та зменшити тертя між рецептором та ретропризмою і за рахунок цього підвищити точність та швидкодію сенсора. Вирішення поставленого завдання досягається тим, що в сенсорному пристрої, який містить оптичну ретропризму з рецептором та дзеркальним покриттям, розташованим на одній із граней ретропризми під кутом 90° до рецептора, а також містить корпус з двома паралельними каналами, в одному з яких послідовно розміщені оптично пов'язані джерело світла, поляризатор і фокусуюча лінза, в другому - фотодетектор, оптично пов'язаний з апертурною діафрагмою, а ретропризма розміщена в непрозорому кожусі, оптично пов'язана з фокусуючою лінзою та апертурною діафрагмою і з'єднана з корпусом пружною перемичкою та регулювальним гвинтом, так що між ретропризмою і корпусом існує регульований клиноподібний проміжок, ретропризма має на робочій поверхні, призначеній для встановлення рецепторів, виїмку глибиною ~0,5-1мм з імерсійною рідиною, причому площа виїмки становить 75-90% від площі робочої поверхні ретропризми (робоча поверхня - це та поверхня, де рецептор контактує з ретропризмою). 4 Ознакою, яка відрізняє запропонований сенсорний пристрій, є те, що ретропризма має на робочій поверхні виїмку глибиною ~0,5-1мм з імерсійною рідиною, причому площа виїмки становить 7590% від площі робочої поверхні ретропризми. Саме уведення цієї ознаки сприяє досягненню поставленої мети, тому що присутність на поверхні ретропризми заповненої імерсійною рідиною виїмки глибиною ~0,5-1мм площею 75-90% від площі вказаної поверхні суттєво зменшує величину контакту між ретропризмою та рецептором, при якому їх поверхні розділені тонким (~5-10мкм) прошарком рідини. Як наслідок значно зменшується імовірність виникнення клиновидного проміжку між цими поверхнями, що викликає кутову по хибку при вимірюваннях, а також їх ушкодження за рахунок потрапляння сторонніх порошинок. Механічні зусилля і час, необхідні для заміни рецептора, можуть бути суттєво зменшені завдяки зменшенню опору в'язкого тертя між рецептором та ретропризмою. Це дозволить відповідно підвищити швидкодію сенсора. На Фіг.1 показано конструкцію запропонованого сенсорного пристрою. Фіг.2 ілюструє, яким чином відмітні ознаки запропонованого сенсорного пристрою сприяють підвищенню його точності та швидкодії. На Фіг.3 для пояснення наведено характеристичні криві поверхневого плазменного резонансу. Запропонований сенсорний пристрій (Фіг.1) містить корпус 1 з двома паралельними каналами, в одному з яких послідовно розміщені і оптично пов'язані джерело монохроматичного світла 2, поляризатор 3 і фокусуюча лінза 4, в другому каналі фотодетектор 5, оптично пов'язаний з апертурною діафрагмою 6. В склад сенсора входить також оптична ретропризма 7 з виїмкою 8 на робочій поверхні, заповненою імерсійною рідиною 9, зйомним рецептором 10 та дзеркальним покриттям 11, розташованим на одній із граней ретропризми під кутом 90° до рецептора. Ретропризма розміщена в непрозорому кожусі 12 і оптично пов'язана з фокусуючою лінзою 4 та апертурною діафрагмою 6. Оптична ретропризма 7 та корпус 1 механічно з'єднані між собою за допомогою пружної перемички 13 і гвинта 14 таким чином, що між ними утворюється проміжок 15 з регульованою (порядку ±25°) клиновидністю, а саме регулювання здійснюється гвинтом 14. На Фіг.2 позначено: 7 - верхня частина ретропризми, 8 - виїмка на робочій поверхні ретропризми, 9 - імерсійна рідина, 10 - рецептор, 16 - порошина. На Фіг.2,а зображено взаємне розташування верхньої (робочої) грані ретропризми 7 та рецептора 10 в пристрої-прототипі, а на Фіг.2,б - в запропонованому пристрої. В прототипі площа контакту верхньої грані ретропризми 7 та рецептора 10 досить значна, і тому є великою імовірність потрапляння між ними мікроскопічних (0,1-0,3мм) сторонніх порошинок 16, яких важко позбутися в польових умовах. При цьому між площинами верхньої грані ретропризми 7 та рецептора 10 виникає неконтрольована клиновидність порядку 0,31°. При багаторазовому встановленні, переміщенні 5 32512 та зніманні рецепторів через тертя спостерігається поступове механічне пошкодження оптично полірованих поверхонь рецепторів та ретропризми, що негативно позначається на роботі сенсора. Крім того, при значній площі контакту між поверхнями ретропризми та рецептора і особливо при малій відстані між ними зростає сила в’язкого тертя æ SV ö ç Fmp = h ÷, де h - в’язкість імерсійної рідини, l ø è l - товщина прошарку імерсійної рідини, S - площа контакту, V - швидкість переміщення рецептора), що перешкоджає збільшенню швидкодії сенсора. Наприклад, при l £ 1 - 2мкм тертя може зрости настільки, що відбудеться явище "схоплювання" контактуючих поверхонь і пересувати рецептор стане неможливо. На відміну від цього, в запропонованій конструкції (Фіг.2,б) рецептор 10 через тонкий прошарок l імерсійної рідини контактує з верхньою гранню ретропризми 7 лише на невеликій периферійній частині площі (на фіг.2,б вона заштрихована), механічне пошкодження якої в ході експлуатації не є критичним. Доля цієї площі значно менша площі робочої поверхні ретропризми, і відповідно зменшується імовірність потрапляння на неї сторонніх порошинок. Якщо навіть туди й потрапляє якась порошинка 16, то при переміщенні рецепторного чіпа вона швидко зсувається у виїмку 8 з імерсійною рідиною 9. А на оптично важливій більшій частині площі рецептор 10 та ретропризму 7 розділяє відносно товстий (~0,5-1мм) прошарок імерсійної рідини у виїмці, який полегшує переміщення рецептора і сприяє збереженню експлуатаційних характеристик сенсора та підвищенню його швидкодії. Сенсорний пристрій функціонує наступним чином. Перед початком вимірювань на рецептор 10, коли він ще знаходиться поза сенсором, наносять контрольовану речовину (аналіт) і витримують певний час, необхідний для адсорбції молекул аналіту. Приготований таким способом для проведення аналізів рецептор 10 встановлюють на робочу поверхню ретропризми 7 і вмикають джерело світла 2. Пучок монохроматичного світла від джерела 2 проходить через поляризатор 3, фокусуючу лінзу 4, регульований проміжок 15 і входить в ретропризму 7, проходить у виїмку 8 з імерсійною рідиною 9, а звідти потрапляє на рецептор 10 і дзеркально відбивається від нього. Надалі світло, відбившись ще раз від дзеркального покриття 11, виходить з ретропризми 7, проходить через регульований проміжок 15, апертурну діафрагму 6 і реєструється фотодетектором 5. При деяких кута х q , близьких до резонансного кута поверхневого плазмонного резонансу q 0, інтенсивність відбитого світла зменшується. Куто 6 ва розгортка світла на рецепторі 10 виконується за рахунок використання світлового пучка з кутовою розбіжністю, який формується лінзою 4. Кутовий характер розподілу інтенсивності відбитого світла (Фіг.3) несе інформацію про присутність та концентрацію речовини-аналіту на рецепторі. По горизонталі на Фіг.3 відкладено кут відбивання q , по вертикалі - інтенсивність відбитого світла І. Крива 17 ілюструє типовий кутовий розподіл інтенсивності відбитого сві тла при відсутності аналіту, а крива 18 - за наявності аналіту. В залежності від концентрації аналіту кутовий зсув Dq може складати від тисячної до декількох десятих градуса. Такого ж порядку може бути і похибка, викликана неконтрольованим відхиленням площини рецепторного чіпа, пов'язаним з присутністю сторонньої порошини. Тому подібні похибки треба обов'язково враховувати і по можливості усувати. Після кожного вимірювання або після закінчення серії вимірювань результати можна видати на дисплей або накопичити їх і передати в персональний комп'ютер. Досліджений рецептор надалі замінюється наступним і починається новий цикл вимірювань. Як джерело світла 2 можуть бути використані полосковий напівпровідниковий лазер, світлодіод або широкополосний точковий газорозрядний випромінювач з монохроматором. При застосуванні світлового пучка з кутовою розбіжністю як фотодетектор 5 використовується лінійка (матриця) фотодіодів або фоточутлива ПЗЗ-структура. При цьому характеристична крива поверхневого плазмонного резонансу реєструється усім масивом фоточутли вих елементів одночасно. Замкнута виїмка 8 на поверхні ретропризми 7 може мати довільний профіль, але найбільш технологічним є сферичний, бо технологію одержання подібних профілей застосовують при виготовленні увігн утих лінз. Для безперешкодного проходження світла в сенсорі ретропризма 7, імерсійна рідина 9 і скляна основа рецептора 10 повинні мати однакові (або дуже близькі) показники заломлення. Запропонований сенсорний пристрій можна виконати малогабаритним (~ 10x10x10см 3) вагою ~1кГ, що дозволяє легко транспортува ти його і використовува ти в польових умовах. Практична реалізація сенсора цілком можлива, оскільки в ньому використовуються оптоелектронні і оптичні елементи (напівпровідникові джерела світла, фотодіоди, ПЗЗ-структури, поляризатори, призми, лінзи, тощо) та мікроелектронна елементна база, які виробляються промисловістю і вільно продаються на ринку, а складання і налагоджування пристрою вимагають застосування традиційних приладобудівних те хнологій. 7 Комп’ютерна в ерстка І.Скворцов а 32512 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601