暴露指示装置的制作方法
专利名称：暴露指示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种暴露指示装置。相关领域存在多种呼吸器系统，以保护使用者不暴露于危险化学物质。这些系统的例子包 括负压或动力空气呼吸器以及供应空气呼吸器，负压或动力空气呼吸器使用含有从周围空 气中去除有害物质的吸附剂材料的筒芯。已经提出了多个规程来评价传送给使用者的空气。这些规程还可以用来确定吸附 剂材料是否接近耗尽。该规程包括感官警告、管理控制、被动指示器和主动指示器。例如，寿命终止传感器(“E0LS”)或使用寿命终止指示器(“ESLI”)可警 告此类装置中的过滤元件可能接近饱和或可能对特定材料无效。涉及个人防护或呼 吸防护的专利或专利申请(以及在某些情况下通常涉及传感器或指示器，或者具体 涉及 EOLS 或 ESLI)包括美国专禾U No.1，537，519 (Yablick)、3，966，440(Roberts)、 4，146，887 (Magnante)、4，154，586 (Jones 等人),4, 155,358 (McAllister 等人),4, 326, 514 (Ei an),4, 421, 719 (Burleigh) ,4, 530, 706( Jones), 4，597，942(Meathrel)、4，684，380(Leichnitz)、4，847，594(Stetter)、5，297，544(May 等人)、5，323，774 (Fehlauer)、5，376，554 (Vo-Dinh)、5，512，882 Gtetter 等人)、 5，666，949 (Debe 等人 ~ 949)、5，659，296 (Debe 等人、296)、6，375，725B1 (Bernard 等人)、 6，497，756B1 (Curado 等人)以及 6，701，864B2 (Watson，Jr.等人)；US。美国专利申请公 开 No. US 2004/0135684A1 (Steinthal 等人)、US2004/0189982A1 (Galarneau 等人)、US 2004/0223876A1 (Kirollos 等人)以及 US 2005/0188749A1 (Custer 等人)；以及已公布的 PCT 专利申请 No. WO 2004/057314A2ο其他涉及传感器或指示器但不涉及EOLS或ESLI的专利和专利申请包括美国 专利 No. 5，611，998 (Aussenegg 等人)、5，783，836 (Liu 等人)、6，007，904 (Schwotzer 等 人)、6，130，748 (Kruger等人)、以及6，248，539 (Ghadiri等人)；美国专利申请公开No. US 2004/0184948A1 (Rakow等人)；以及美国依法注册的发明No. H1470 (Ewing等人)。
发明内容
根据本发明的第一个方面，暴露指示装置设置在呼吸器系统中。暴露指示装置包 括衍射光学元件。暴露指示装置包括折射率随着暴露于化学蒸汽而改变的材料。暴露指示 装置提供光学特性随着暴露于化学蒸汽而改变的光学信号。在一个方面中，衍射光学元件 包括衍射光栅。在另一方面，该材料包括折射率随着暴露于化学蒸汽而改变的纳米多孔材料。在 另一方面，所述纳米多孔材料包括无定形随机共价网，该无定形随机共价网包括硅、碳、氢 和氧，其平均孔尺寸的范围为从约0. 5至约10纳米。
在另一方面，衍射光学元件由所述纳米多孔材料形成。在可替代的方面，衍射光学元件基本上嵌入到所述纳米多孔材料中。衍射光学元 件包括衍射光栅，该衍射光栅的折射率基本上等于在暴露于化学蒸汽之前周围的纳米多孔 材料的折射率。另外，该衍射光栅的折射率与充分暴露于化学蒸汽后之前周围的纳米多孔 材料的折射率不同。在一个方面，该装置是被动装置。在另一方面，该装置是主动装置。在一个方面，衍射光学元件包括图案化的微孔无定形碳材料。根据本发明的另一个方面，一种设置在呼吸器系统中的暴露指示装置包括面罩， 所述面罩上已经安装有包括吸附剂材料的至少一个可更换空气净化呼吸器筒芯。该暴露指 示装置包括形成在基底上的衍射光学元件，该基底安装到所述至少一个呼吸器筒芯的内侧 壁。在所述至少一个呼吸器筒芯的所述侧壁上的安装位置基本上是透明的。暴露指示装置 包括纳米多孔材料，所述纳米多孔材料的折射率随着暴露于化学蒸汽而改变，其中该暴露 指示装置提供光学特性随着暴露于化学蒸汽而改变的光学信号。在一个方面，衍射光学元件由折射率随着暴露于化学蒸汽而改变的纳米多孔材料 形成。在另一方面，衍射光学元件基本上嵌入到所述纳米多孔材料中，其中所述纳米多 孔材料基本上被吸附剂材料包围。在另一方面，衍射光学元件包括衍射光栅，该衍射光栅的折射率基本上等于在暴 露于化学蒸汽之前周围的纳米多孔材料的折射率，并且与充分暴露于化学蒸汽之后的周围 的纳米多孔材料的折射率不同。在一个方面，该暴露指示装置是被动装置。上述本发明的内容并非意图描述本发明的每一个图示实施例或每种实施方式。附 图及其后的具体实施方式
更具体地举例说明了这些实施例。
参照附图进一步描述本发明，其中图1是具有根据本发明一个方面的暴露指示装置的呼吸器的示意图；图2是具有根据本发明一个方面的暴露指示装置的呼吸器筒芯的剖视图；图3A是根据本发明一个方面的暴露指示装置的示意图；图;3B是根据本发明另一个方面的暴露指示装置的示意图；图4A是示例性光栅的示意图；图4B和图4C是根据本发明一个方面暴露之前和之后的暴露指示装置的示意图；图5A-图5C是根据本发明另一个方面制造用于暴露指示装置的光栅的方法的示 意图；图6是示例性衍射光栅对变化的暴露的光学响应的曲线图。虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，其细节已通过举例的方式在附图 中示出并且将会作详细描述。然而应当理解，其目的并不是将本发明局限于所述具体实施 例。相反，其目的在于涵盖由所附权利要求书限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形 式和替代形式。
具体实施例方式在以下具体实施方式
中，将参照构成本文一部分的附图，这些附图以举例说明本 发明可能实施的具体实施例的方式示出。就这一点而言，诸如“顶部”、“底部”、“前”、“后”、 “前部”、“朝前”和“尾部”等定向术语应结合图示所描述的取向使用。因为本发明实施例的 元件可被布置在多个不同取向上，所以使用方向性术语是为了举例说明，且绝不在于限制。 应理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用其它实施例，并且可以进行结构性或逻辑 性的修改。本发明涉及暴露指示装置。在一个方面，暴露指示装置用于个人呼吸器，以便向穿 戴者指示用于呼吸器的净化筒芯需要更换。在优选的方面，暴露指示装置是基于光学的被 动装置，其随着暴露于有害蒸汽或其它空气传播物质而改变其折射率。此外，暴露指示装置 采用衍射光学元件，例如衍射光栅，从而得到净化筒芯接近耗尽的视觉指示。在一个方面， 衍射元件可以是纳米多孔材料。在另一方面，衍射元件可以嵌入到纳米多孔材料中。参见图1，示例性的个人呼吸器1包括面罩2，该面罩2上安装有一对可更换的空 气净化呼吸器筒芯3。每个筒芯3都用作未在图1中示出的用于吸附剂材料(例如，活性炭 和/或下述的其他材料)的封装件。每个筒芯3的前盖4包括多个开口 5，该开口 5用作气 体入口，允许环境空气从外部环境流入筒芯3、通过吸附剂材料、然后通过一个通道(在图1 中未标记)，该通道用作离开筒芯3的气体出口和进入面罩2的入口。各个筒芯3中的侧 壁6是透明的或者至少包括透明部分7，面罩2的穿戴者通过该透明部分7能看到暴露指示 装置8 (在本文中也称为指示器8或指示器8’)。在优选方面，侧壁6的至少大部分是透明 的。暴露指示装置8可以位于侧壁6的上表面附近，以便被穿戴者更直接地看到。如以下更详细描述的，暴露指示装置8是光学响应的，当吸附剂材料在暴露条件 下变得与特定蒸汽或目标物质(在本文中简单地称为蒸汽)平衡时，经历可见地可识别的 色度变化，从而帮助穿戴者认识到是时候更换一个或多个筒芯3 了。呼出的空气通过呼气 阀9离开呼吸器1。指示器可用在各种呼吸保护装置中。例如，指示器还可以配置在单个筒 芯呼吸器或动力空气净化呼吸器中。图2是呼吸器筒芯3的局部剖视侧视图。如果需要，开口 5可以例如利用使用之 前去除的可移除的覆盖件(图1和图2中未示出)密封，直到使用时。设置在筒芯中的吸 附剂材料21床吸收或吸附从开口 5到出口 23的关注的蒸汽。还可以使用单向吸入阀。单 向吸入阀可以安装在呼吸器的主面块上，或者可选的是，单向吸入阀25可以安装在柱子27 上，以便防止呼出的空气进入筒芯3。螺纹连接器或优选地卡扣连接器四可以用来将筒芯 3可移除地联接至面罩2。侧壁6整个是透明的或者它至少包括基本上透明部分7。透明的 侧壁允许环境光进入暴露指示装置8。当暴露指示装置8的外观中可见地可识别的变化指示暴露指示装置8下方的吸附 剂材料21在暴露条件下已经变得与蒸汽平衡时，筒芯3被移除并且用新的筒芯3代替该筒 芯3。在优选方面，如下进一步详细解释的，暴露指示装置8在蒸汽平衡的情况下可以提供 明亮的彩虹型、多色彩外观。或者，外观的这种变化可以包括色彩的变化，例如从绿色变为 红色或其他颜色。在另一替代形式中，通过将暴露指示装置8构造成使其覆盖蒸汽流动路径的整个 长度，外观的变化(例如，颜色变化)将会随着蒸汽通过吸附剂材料21并经过暴露指示装置8的流动而进行。进行的外观变化将指示筒芯3的剩余使用寿命(类似棒规或油规)而 不是使用寿命的正好终结，尤其是对设计筒芯3采取合适的护理，使得其剩下的使用寿命 与渗透过暴露指示装置8的空间蒸汽前端渗透线性地成比例。或者，可将暴露指示装置8仅朝向流程的末端放置，以便仅在所需剩余使用寿命 百分比时发出警告。如果需要，暴露指示装置8可包括图案或参考色，以协助对暴露指示装 置8在外观上的可见可识别的变化。如上所述，暴露指示装置8的外观变化可以在环境光下可见地监控，由此将EOLS 或ESLI提供为被动装置。或者，可使用外部光源(例如发光二极管(LED))照射指示器8， 并使用安装在滤筒3周边来提供光电信号的光电检测器进行评价。此外，光可以通过一个 或多个光纤输送至暴露指示装置8。无论是在环境光下还是通过使用外部光源和光电检测 器来观察，如果需要，可以各种方式来增加化学检测的广度。例如，可采用横穿蒸汽流动路 径的指示器的小型阵列。图3A和;3B示出了示例性暴露指示装置的不同实施例，也就是指示器8 (图3A)和 指示器8'(图I)。图3A示出了示例性指示器8的示意图。在一个实施例中，指示器8包括衍射元件。 在优选方面，衍射元件包括设置在基底53上的衍射光栅52。以下进一步详细描述基底53 上光栅52的形成。或者，光栅52可以蚀刻到基底53中。衍射元件(这里是衍射光栅5 嵌入到纳米多孔材料M中，该纳米多孔材料基本 上包围衍射光栅(即，不是在所有侧)。可以通过常规的喷涂方法、浸渍涂覆方法或类似的 方法来实现所述嵌入，其中纳米多孔材料可以嵌入固体光栅和/或填充在衍射元件上形成 的“槽”。基底53设置在侧壁6的内表面上并且能够利用诸如环氧树脂的常规粘合剂粘接 到侧壁6的表面上。吸附剂材料21包围嵌入的指示器8并且基本上围绕该指示器8。根据本发明的示例性方面，暴露指示装置经历折射率随着暴露而变化。在图3A的 特定实施例中，光栅52具有不变的折射率( )，同时，纳米多孔材料M具有可变的折射率， 其中该折射率随着材料暴露于特定蒸汽而变化。在操作中，纳米多孔材料M被选择成其初 始折射率(npi)与示例性衍射光栅的折射率相同(即，npi = ng)。然而，当吸附剂材料21暴 露于蒸汽时，其折射率(npe)改变，使得npe Φ ng。例如，如图4A-图4C中示意性地所示，光栅的外观取决于纳米多孔材料M暴露于 蒸汽的暴露水平。在这个实施例中，衍射元件包括衍射光栅。如图4A所示，衍射光栅52可 以形成为具有波峰和波谷交替的常规结构。或者，光栅52可以形成为炫耀光栅、线性调频 脉冲光栅或其他衍射元件，这对于本说明的领域中的普通技术人员而言是明显的。用来形 成衍射光栅52的材料具有初始折射率( )。对于本实施例，在操作中，衍射光栅52基本上被纳米多孔材料M包围。从而，如图 4B所示，因为纳米多孔材料M具有初始折射率(ripi)，该初始折射率等于衍射光栅的折射率 (rig) ( 即，npi = ng)，所以进入纳米多孔材料M的光80不受存在的嵌入的衍射光栅52的影 响。然而，如图4C所示，当纳米多孔材料M暴露于蒸汽时，其折射率从(Iipi)变化至(npe)， 使得npe Φ ng。当光栅高度色散时，进入暴露的纳米多孔材料M中的光80的一部分被嵌入 的衍射光栅52衍射(衍射光82)，该衍射光栅对于使用者可见到为衍射图案(如，彩虹型图 案)。这个衍射图案指示使用者，应当更换吸附剂筒芯。
在可替代实施例中，衍射元件可以用诸如透镜的折射元件代替。这样，透镜和包围 透镜的纳米多孔材料可以具有相同的初始折射率。当纳米多孔材料暴露于蒸汽时，其折射 率改变。从而，透镜可以看到在纳米多孔材料的折射率变化之前看不到的符号或其他结构。纳米多孔材料M可以包括均勻的或异质材料，并且例如可以由无机成分的混合 物、有机成分的混合物、无机和有机成分的混合物制成。纳米多孔材料有利地具有一系列 的孔尺寸或表面积，其被选择为提供与所述吸附剂介质的蒸汽吸附特性类似的蒸汽吸附特 性。可通过使用多孔材料(例如由高内相乳液制成的泡沫)获得适合的孔隙率，例如在美国 专利No. 6，573，305B1 (Thunhorst等人)中所述的那些。孔隙率还可以通过二氧化碳泡沫 来产生微孔材料而获得(见“Macromolecules”，2001，;M卷，pp. 8792-8801)，或者可以通过 共混聚合物的纳米相分离而获得(见“Science”，1999，283卷，p. 520)。一般来讲，孔直径 优选地为小于所需指示器着色的峰值波长。优选(例如)平均孔尺寸为约0. 5至约20nm、 0. 5至约IOnm或0. 5至约5nm的纳米尺寸的孔。代表性的无机纳米多孔材料包括多孔二氧化硅、金属氧化物、金属氮化物、金属氧 氮化物和通过暴露于特定蒸汽而改变折射率的其他无机材料。例如，无机纳米多孔材料可 以为二氧化硅类、氮化硅类、氮氧化硅类、氧化铝类、氧化钛类、氮化钛、氮氧化钛、氧化锡 类、氧化锆类、沸石类或它们的组合。多孔二氧化硅是示例性的纳米多孔材料。多孔二氧化硅类可(例如)使用溶胶-凝胶工艺路线制备，并且可使用或不使用 有机模板来制备。示例性的有机模板类包括表面活性剂，如阴离子或非离子表面活性剂，例 如烷基三甲基铵盐类、聚(环氧乙烷-co-环氧丙烷)嵌段共聚物类以及本领域的普通技术 人员熟知的其他表面活性剂类或聚合物类。溶胶-凝胶混合物可转化成硅酸盐，有机模板 可被移除以在二氧化硅中留下微孔网。代表性的多孔硅材料在Ogawa等人的Chem. Commun. Pp. 1149-1150 (1996)，在 Kresge 等人的 Nature, 359 卷，pp. 710-712 (1992)，在 Jia 等人的 Chemistry Letters, 33(2)卷，pp. 202-203(2004)以及在美国专利 No. 5，858，457 (Brinker 等人)中进行了描 述。也可采用各种有机分子作为有机模板。例如，糖类(例如葡萄糖和甘露糖)可用作有 机模板，以生成多孔硅酸盐类，参见Wei等人，Adv. Mater. 1998，10卷，p. 313(1998)。溶 胶-凝胶组合物中可包含有机取代的硅氧烷类或有机二硅氧烷类，以使微孔更具疏水性 并且限制水蒸气的吸附。也可采用等离子化学气相沉积法生成多孔无机测材料。美国专 利No. 6，312，793 (Grill等人)和美国公开No. 20070141580中描述了这种材料的例子。 例如，美国公开No. 20070141580描述了一种无定形随机共价网，其包括硅、碳、氢和氧， 平均孔尺寸的范围为从0.5至10纳米。另一种示例性的材料包括在美国专利申请系列 No. 11/618，010中描述的硅/碳/氧气等离子体沉积膜(SiCO)。代表性的有机纳米多孔材料包括聚合物、共聚物(包括嵌段共聚物)以及它们的 混合物，它们通过以下类别的单体制备或可通过以下类别的单体制备，这些单体包括疏水 性丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、双官能单体、乙烯基单体、烃单体(烯烃)、硅烷单体、氟化单 体、羟基化单体、丙烯酰胺、酸酐、醛官能化单体、胺或胺盐官能化单体、酸官能化单体、环氧 化物官能化单体以及它们的混合物或组合。美国专利申请公开No. US2004/0184948A1包含 此类单体的详尽列表，并以此作为参考以获得更详细的描述。具有固有微孔性(PIM)的上 述聚合物可形成尤为理想的材料。PIM通常为形成微孔固体的非网状聚合物。由于其典型的高度刚性和扭曲的分子结构，使得PIM无法有效地填充空间，从而形成本发明所公开的微 孔结构。适合的 PIM包括(但不限于)在“Polymers of intrinsic microporosity (PIMs) robust, solution-processable, organic microporous materials"(固有微孑L 性聚 合物(PIM)稳固、溶液可处理的有机微孔材料)，Budd等人的Chem. Commun.，2004， pp. 230-231。另外的 PIMs 公开在 Budd 等人 J. Mater. Chem.，2005，15，pp. 1977-1986，in McKeown et al.，Chem. Eur. J. 2005，11，No. 9,2610-2620 以及已公布的 PCT 专利申请 No. WO 2005/012397A2 (McKeown 等人)中有所公开。有机层中的一种或多种聚合物可以至少部分地交联。在一些实施例中交联可能是 期望的，因为其可增加机械稳定性以及对某些被分析物的敏感度。可通过以下方法实现交 联在层中包含一种或多种多官能单体，对层进行(如)电子束或伽马射线处理，在层中添 加或形成配位化合物或离子化合物，或在层中形成氢键。在一个示例性实施例中，交联是在 存在致孔剂的情况下进行的，随后可将该致孔剂从交联体系中提取出来，以产生多孔材料。 合适的致孔剂包括(但不限于)惰性有机分子，例如正构烷烃类(如癸烷)或芳烃类(如 苯或甲苯)。其他交联聚合物包括上面提及的高度交联的苯乙烯聚合物。如果需要，可对纳米多孔材料进行处理，以改变其表面特性或吸附特性。可采用多 种这样的处理方法，例如，使无机纳米多孔材料的微孔暴露于适合的有机硅烷化合物。对于许多应用，纳米多孔材料为疏水性的。这将会减小水蒸汽(或液态水)在纳 米多孔材料中引起变化的机会。图:3B示出了可替代的示例性指示器8'的示意图。在优选方面，指示器8'包括设 置在基底53上的诸如衍射光栅52'的衍射元件。以下进一步详细描述光栅52'的形成。 或者，光栅52'可以蚀刻到基底53中。衍射元件(这里为衍射光栅52’)包括纳米多孔材料，其折射率随着暴露于蒸汽而 改变，使得其折射率从初始值(ngi)变化至暴露值(Hge)，使得nge Φ ngi。基底53设置在侧 壁6的内表面上并且能够利用诸如环氧树脂的常规粘合剂粘接到侧壁6的表面上。吸附剂 材料21包围嵌入的指示器8。在一个方面，回过去参考图3A，衍射元件可以是形成在二氧化硅或者说是透明的 基底上的衍射光栅52。在这个方面，衍射光栅52的折射率一直为常数，同时周围的纳米多 孔材料的折射率随着暴露而改变。在可替代方面，对于图:3B的实施例，衍射光栅52’包括纳米多孔材料，其折射率随 着暴露而改变。衍射光栅52’可以以如下方式制造。在一个示例性方面，衍射光栅52形成 为钻石样碳(DLC)和钻石样玻璃(DLG)的薄膜叠堆。美国专利申请序列No. 11/618,010中 描述了 DLC和DLG材料的沉积。图5A示出了用来形成最终光栅52’的处理中的光栅IOla的示意图。初始叠堆包 括基底102、形成在基底上的DLC层104、形成在DLC层上的DLG层106、以及形成在DLG层 上的光致抗蚀剂层108。在优选方面，基底102是二氧化硅材料。也可以采用彩色玻璃或其 它透明基底材料。其他的光栅可以形成在硅基基底上，该光栅最好用在主动系统中，与如上 所述的那些单独的光源和/或光纤结合。可以在间歇式反应器中进行沉积，例如能够由Plasmatherm(如，第3032模型)获 得。在DLC和DLG沉积之前，例如可以利用氧气等离子体和四甲基硅烷等离子体来预制基底102。DLC 104的厚度可以形成为从约500nm至约1000nm(优选约800nm)，并且DLG 106 的厚度可以形成为从约20nm至约100nm(优选约50nm)。可以采用常规的光致抗蚀剂材料， 例如积极的光致抗蚀剂材料，其具有的厚度为约500nm(如，MICROPOSIT S1805，得自Rohm and Hass Electronic materials, Marlborough, ΜΑ)。如图 5A 所示，光致抗烛齐[J 108 可以 具有标准交替图案。或者，光致抗蚀剂108可以具有合适的图案，用于炫耀光栅、线性调频 脉冲光栅或其他衍射元件。可以利用常规的光刻技术实现图案化和显影。然后，光致抗蚀剂图案被转印到DLG上，如图5B中正在处理的结构IOlb中所示。 例如，可以采用反应离子蚀刻(RIE)技术来转印图案。在一个例子中，可以利用C3F8/02蚀 刻来蚀刻DLG 106。当然，也可以采用其他的蚀刻方法。然后，该图案被进一步转印到DLC 层104上。例如，可以采用诸如02蚀刻的常规RIE技术。所得的正在处理的结构IOlc如 图5C所示。在蚀刻之后，光栅被退火，以形成随着暴露于某种蒸汽而改变折射率的图案化 的微孔无定形碳材料。在利用根据图5A-5C的形成过程形成的光栅执行的试验中，对光栅测试甲苯异议 浓度的范围。样品光栅被放置在测试室中。蒸发器用来产生甲苯蒸汽，该甲苯蒸汽被注入 到空气流中，该空气流(利用可调节的泵)泵送到测试室中。以约45度的角度放置样品光 栅并且用常规的显微镜灯照亮该样品光栅。大芯光纤用来收集反射光信号的一部分。反射 的光包括彩虹型图案。在暴露至50ppm的甲苯之后，样品在775nm下产生反射信号17%的 增加。在暴露至500ppm的甲苯之后，样品在775nm下产生反射信号25%的增加。图6提供了对于预先暴露和50ppm的暴露水平，样品衍射光栅响应甲苯暴露的曲 线图。利用钨卤素光源(R-LS-1，得自Ocean Optics)、反射探针和USB-2000光谱仪监控样 品的光谱数据。因此，纳米多孔材料结合衍射元件，作为呼吸器系统的暴露指示装置的一部分，能 用于EOLS或ESLI应用。本发明所属领域的技术人员在阅读本发明的说明书之后，本发明可适用的各种修 改形式、等同方法以及众多结构将变得显而易见。
权利要求
1.一种暴露指示装置，其设置在呼吸器系统中，其中所述暴露指示装置包括衍射光学 元件，所述暴露指示装置包括折射率随着暴露于化学蒸汽而改变的材料，所述暴露指示装 置提供光学特性随着暴露于所述化学蒸汽而改变的光学信号。
2.根据权利要求1所述的暴露指示装置，其中所述材料包括纳米多孔材料，所述纳米 多孔材料的折射率随着暴露于所述化学蒸汽而改变。
3.根据权利要求2所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件由所述纳米多孔材料 形成。
4.根据权利要求2所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件基本上嵌入所述纳米 多孔材料中。
5.根据权利要求4所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件包括衍射光栅，所述 衍射光栅的折射率基本上等于在暴露于所述化学蒸汽之前周围的所述纳米多孔材料的折射率。
6.根据权利要求5所述的暴露指示装置，其中所述衍射光栅的折射率不同于在充分暴 露于所述化学蒸汽后之前周围的所述纳米多孔材料的折射率。
7.根据权利要求1所述的暴露指示装置，其中所述暴露指示装置是被动装置。
8.根据权利要求1所述的暴露指示装置，其中所述暴露指示装置是主动装置。
9.根据权利要求3所述的暴露指示装置，其中所述衍射光栅包括图案化的微孔无定形 碳材料。
10.根据权利要求4所述的暴露指示装置，其中所述纳米多孔材料包括无定形随机共 价网，所述无定形随机共价网包括硅、碳、氢和氧，平均孔尺寸的范围为从约0.5至约10纳 米。
11.一种暴露指示装置，其设置在呼吸器系统中，所述呼吸器系统包括面罩，所述面罩 上已经安装有包括吸附剂材料的至少一个可更换空气净化呼吸器筒芯，所述暴露指示装置 包括衍射光学元件，其形成在基底上，所述基底安装到所述至少一个可更换空气净化呼吸 器筒芯的内侧壁，其中在所述至少一个可更换空气净化呼吸器筒芯的所述侧壁上的安装位 置基本上是透明的，所述暴露指示装置包括纳米多孔材料，所述纳米多孔材料的折射率随 着暴露于化学蒸汽而改变，所述暴露指示装置提供光学特性随着暴露于所述化学蒸汽而改 变的光学信号。
12.根据权利要求11所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件由所述纳米多孔材 料形成，所述纳米多孔材料的折射率随着暴露于所述化学蒸汽而改变。
13.根据权利要求11所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件基本上嵌入所述纳 米多孔材料中，并且所述纳米多孔材料基本上被所述吸附剂材料包围。
14.根据权利要求13所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件包括衍射光栅，所 述衍射光栅的折射率基本上等于在暴露于所述化学蒸汽之前周围的所述纳米多孔材料的 折射率，并且与充分暴露于所述化学蒸汽之后周围的所述纳米多孔材料的折射率不同。
15.根据权利要求11所述的暴露指示装置，其中所述暴露指示装置是被动装置。
全文摘要
本发明描述了一种暴露指示装置，其设置在呼吸器系统中。所述暴露指示装置包括衍射光学元件。所述暴露指示装置包括折射率随着暴露于化学蒸汽而改变的材料，其中该暴露指示装置提供光学特性随着暴露于所述化学蒸汽而改变的光学信号。
文档编号A62B18/08GK102056649SQ200980121024
公开日2011年5月11日 申请日期2009年6月15日 优先权日2008年6月30日
发明者多拉·M·保卢奇, 詹姆斯·M·巴蒂亚托 申请人:3M创新有限公司
技术领域：
本发明涉及一种暴露指示装置。相关领域存在多种呼吸器系统，以保护使用者不暴露于危险化学物质。这些系统的例子包 括负压或动力空气呼吸器以及供应空气呼吸器，负压或动力空气呼吸器使用含有从周围空 气中去除有害物质的吸附剂材料的筒芯。已经提出了多个规程来评价传送给使用者的空气。这些规程还可以用来确定吸附 剂材料是否接近耗尽。该规程包括感官警告、管理控制、被动指示器和主动指示器。例如，寿命终止传感器(“E0LS”)或使用寿命终止指示器(“ESLI”)可警 告此类装置中的过滤元件可能接近饱和或可能对特定材料无效。涉及个人防护或呼 吸防护的专利或专利申请(以及在某些情况下通常涉及传感器或指示器，或者具体 涉及 EOLS 或 ESLI)包括美国专禾U No.1，537，519 (Yablick)、3，966，440(Roberts)、 4，146，887 (Magnante)、4，154，586 (Jones 等人),4, 155,358 (McAllister 等人),4, 326, 514 (Ei an),4, 421, 719 (Burleigh) ,4, 530, 706( Jones), 4，597，942(Meathrel)、4，684，380(Leichnitz)、4，847，594(Stetter)、5，297，544(May 等人)、5，323，774 (Fehlauer)、5，376，554 (Vo-Dinh)、5，512，882 Gtetter 等人)、 5，666，949 (Debe 等人 ~ 949)、5，659，296 (Debe 等人、296)、6，375，725B1 (Bernard 等人)、 6，497，756B1 (Curado 等人)以及 6，701，864B2 (Watson，Jr.等人)；US。美国专利申请公 开 No. US 2004/0135684A1 (Steinthal 等人)、US2004/0189982A1 (Galarneau 等人)、US 2004/0223876A1 (Kirollos 等人)以及 US 2005/0188749A1 (Custer 等人)；以及已公布的 PCT 专利申请 No. WO 2004/057314A2ο其他涉及传感器或指示器但不涉及EOLS或ESLI的专利和专利申请包括美国 专利 No. 5，611，998 (Aussenegg 等人)、5，783，836 (Liu 等人)、6，007，904 (Schwotzer 等 人)、6，130，748 (Kruger等人)、以及6，248，539 (Ghadiri等人)；美国专利申请公开No. US 2004/0184948A1 (Rakow等人)；以及美国依法注册的发明No. H1470 (Ewing等人)。
发明内容
根据本发明的第一个方面，暴露指示装置设置在呼吸器系统中。暴露指示装置包 括衍射光学元件。暴露指示装置包括折射率随着暴露于化学蒸汽而改变的材料。暴露指示 装置提供光学特性随着暴露于化学蒸汽而改变的光学信号。在一个方面中，衍射光学元件 包括衍射光栅。在另一方面，该材料包括折射率随着暴露于化学蒸汽而改变的纳米多孔材料。在 另一方面，所述纳米多孔材料包括无定形随机共价网，该无定形随机共价网包括硅、碳、氢 和氧，其平均孔尺寸的范围为从约0. 5至约10纳米。
在另一方面，衍射光学元件由所述纳米多孔材料形成。在可替代的方面，衍射光学元件基本上嵌入到所述纳米多孔材料中。衍射光学元 件包括衍射光栅，该衍射光栅的折射率基本上等于在暴露于化学蒸汽之前周围的纳米多孔 材料的折射率。另外，该衍射光栅的折射率与充分暴露于化学蒸汽后之前周围的纳米多孔 材料的折射率不同。在一个方面，该装置是被动装置。在另一方面，该装置是主动装置。在一个方面，衍射光学元件包括图案化的微孔无定形碳材料。根据本发明的另一个方面，一种设置在呼吸器系统中的暴露指示装置包括面罩， 所述面罩上已经安装有包括吸附剂材料的至少一个可更换空气净化呼吸器筒芯。该暴露指 示装置包括形成在基底上的衍射光学元件，该基底安装到所述至少一个呼吸器筒芯的内侧 壁。在所述至少一个呼吸器筒芯的所述侧壁上的安装位置基本上是透明的。暴露指示装置 包括纳米多孔材料，所述纳米多孔材料的折射率随着暴露于化学蒸汽而改变，其中该暴露 指示装置提供光学特性随着暴露于化学蒸汽而改变的光学信号。在一个方面，衍射光学元件由折射率随着暴露于化学蒸汽而改变的纳米多孔材料 形成。在另一方面，衍射光学元件基本上嵌入到所述纳米多孔材料中，其中所述纳米多 孔材料基本上被吸附剂材料包围。在另一方面，衍射光学元件包括衍射光栅，该衍射光栅的折射率基本上等于在暴 露于化学蒸汽之前周围的纳米多孔材料的折射率，并且与充分暴露于化学蒸汽之后的周围 的纳米多孔材料的折射率不同。在一个方面，该暴露指示装置是被动装置。上述本发明的内容并非意图描述本发明的每一个图示实施例或每种实施方式。附 图及其后的具体实施方式
更具体地举例说明了这些实施例。
参照附图进一步描述本发明，其中图1是具有根据本发明一个方面的暴露指示装置的呼吸器的示意图；图2是具有根据本发明一个方面的暴露指示装置的呼吸器筒芯的剖视图；图3A是根据本发明一个方面的暴露指示装置的示意图；图;3B是根据本发明另一个方面的暴露指示装置的示意图；图4A是示例性光栅的示意图；图4B和图4C是根据本发明一个方面暴露之前和之后的暴露指示装置的示意图；图5A-图5C是根据本发明另一个方面制造用于暴露指示装置的光栅的方法的示 意图；图6是示例性衍射光栅对变化的暴露的光学响应的曲线图。虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，其细节已通过举例的方式在附图 中示出并且将会作详细描述。然而应当理解，其目的并不是将本发明局限于所述具体实施 例。相反，其目的在于涵盖由所附权利要求书限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形 式和替代形式。
具体实施例方式在以下具体实施方式
中，将参照构成本文一部分的附图，这些附图以举例说明本 发明可能实施的具体实施例的方式示出。就这一点而言，诸如“顶部”、“底部”、“前”、“后”、 “前部”、“朝前”和“尾部”等定向术语应结合图示所描述的取向使用。因为本发明实施例的 元件可被布置在多个不同取向上，所以使用方向性术语是为了举例说明，且绝不在于限制。 应理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用其它实施例，并且可以进行结构性或逻辑 性的修改。本发明涉及暴露指示装置。在一个方面，暴露指示装置用于个人呼吸器，以便向穿 戴者指示用于呼吸器的净化筒芯需要更换。在优选的方面，暴露指示装置是基于光学的被 动装置，其随着暴露于有害蒸汽或其它空气传播物质而改变其折射率。此外，暴露指示装置 采用衍射光学元件，例如衍射光栅，从而得到净化筒芯接近耗尽的视觉指示。在一个方面， 衍射元件可以是纳米多孔材料。在另一方面，衍射元件可以嵌入到纳米多孔材料中。参见图1，示例性的个人呼吸器1包括面罩2，该面罩2上安装有一对可更换的空 气净化呼吸器筒芯3。每个筒芯3都用作未在图1中示出的用于吸附剂材料(例如，活性炭 和/或下述的其他材料)的封装件。每个筒芯3的前盖4包括多个开口 5，该开口 5用作气 体入口，允许环境空气从外部环境流入筒芯3、通过吸附剂材料、然后通过一个通道(在图1 中未标记)，该通道用作离开筒芯3的气体出口和进入面罩2的入口。各个筒芯3中的侧 壁6是透明的或者至少包括透明部分7，面罩2的穿戴者通过该透明部分7能看到暴露指示 装置8 (在本文中也称为指示器8或指示器8’)。在优选方面，侧壁6的至少大部分是透明 的。暴露指示装置8可以位于侧壁6的上表面附近，以便被穿戴者更直接地看到。如以下更详细描述的，暴露指示装置8是光学响应的，当吸附剂材料在暴露条件 下变得与特定蒸汽或目标物质(在本文中简单地称为蒸汽)平衡时，经历可见地可识别的 色度变化，从而帮助穿戴者认识到是时候更换一个或多个筒芯3 了。呼出的空气通过呼气 阀9离开呼吸器1。指示器可用在各种呼吸保护装置中。例如，指示器还可以配置在单个筒 芯呼吸器或动力空气净化呼吸器中。图2是呼吸器筒芯3的局部剖视侧视图。如果需要，开口 5可以例如利用使用之 前去除的可移除的覆盖件(图1和图2中未示出)密封，直到使用时。设置在筒芯中的吸 附剂材料21床吸收或吸附从开口 5到出口 23的关注的蒸汽。还可以使用单向吸入阀。单 向吸入阀可以安装在呼吸器的主面块上，或者可选的是，单向吸入阀25可以安装在柱子27 上，以便防止呼出的空气进入筒芯3。螺纹连接器或优选地卡扣连接器四可以用来将筒芯 3可移除地联接至面罩2。侧壁6整个是透明的或者它至少包括基本上透明部分7。透明的 侧壁允许环境光进入暴露指示装置8。当暴露指示装置8的外观中可见地可识别的变化指示暴露指示装置8下方的吸附 剂材料21在暴露条件下已经变得与蒸汽平衡时，筒芯3被移除并且用新的筒芯3代替该筒 芯3。在优选方面，如下进一步详细解释的，暴露指示装置8在蒸汽平衡的情况下可以提供 明亮的彩虹型、多色彩外观。或者，外观的这种变化可以包括色彩的变化，例如从绿色变为 红色或其他颜色。在另一替代形式中，通过将暴露指示装置8构造成使其覆盖蒸汽流动路径的整个 长度，外观的变化(例如，颜色变化)将会随着蒸汽通过吸附剂材料21并经过暴露指示装置8的流动而进行。进行的外观变化将指示筒芯3的剩余使用寿命(类似棒规或油规)而 不是使用寿命的正好终结，尤其是对设计筒芯3采取合适的护理，使得其剩下的使用寿命 与渗透过暴露指示装置8的空间蒸汽前端渗透线性地成比例。或者，可将暴露指示装置8仅朝向流程的末端放置，以便仅在所需剩余使用寿命 百分比时发出警告。如果需要，暴露指示装置8可包括图案或参考色，以协助对暴露指示装 置8在外观上的可见可识别的变化。如上所述，暴露指示装置8的外观变化可以在环境光下可见地监控，由此将EOLS 或ESLI提供为被动装置。或者，可使用外部光源(例如发光二极管(LED))照射指示器8， 并使用安装在滤筒3周边来提供光电信号的光电检测器进行评价。此外，光可以通过一个 或多个光纤输送至暴露指示装置8。无论是在环境光下还是通过使用外部光源和光电检测 器来观察，如果需要，可以各种方式来增加化学检测的广度。例如，可采用横穿蒸汽流动路 径的指示器的小型阵列。图3A和;3B示出了示例性暴露指示装置的不同实施例，也就是指示器8 (图3A)和 指示器8'(图I)。图3A示出了示例性指示器8的示意图。在一个实施例中，指示器8包括衍射元件。 在优选方面，衍射元件包括设置在基底53上的衍射光栅52。以下进一步详细描述基底53 上光栅52的形成。或者，光栅52可以蚀刻到基底53中。衍射元件(这里是衍射光栅5 嵌入到纳米多孔材料M中，该纳米多孔材料基本 上包围衍射光栅(即，不是在所有侧)。可以通过常规的喷涂方法、浸渍涂覆方法或类似的 方法来实现所述嵌入，其中纳米多孔材料可以嵌入固体光栅和/或填充在衍射元件上形成 的“槽”。基底53设置在侧壁6的内表面上并且能够利用诸如环氧树脂的常规粘合剂粘接 到侧壁6的表面上。吸附剂材料21包围嵌入的指示器8并且基本上围绕该指示器8。根据本发明的示例性方面，暴露指示装置经历折射率随着暴露而变化。在图3A的 特定实施例中，光栅52具有不变的折射率( )，同时，纳米多孔材料M具有可变的折射率， 其中该折射率随着材料暴露于特定蒸汽而变化。在操作中，纳米多孔材料M被选择成其初 始折射率(npi)与示例性衍射光栅的折射率相同(即，npi = ng)。然而，当吸附剂材料21暴 露于蒸汽时，其折射率(npe)改变，使得npe Φ ng。例如，如图4A-图4C中示意性地所示，光栅的外观取决于纳米多孔材料M暴露于 蒸汽的暴露水平。在这个实施例中，衍射元件包括衍射光栅。如图4A所示，衍射光栅52可 以形成为具有波峰和波谷交替的常规结构。或者，光栅52可以形成为炫耀光栅、线性调频 脉冲光栅或其他衍射元件，这对于本说明的领域中的普通技术人员而言是明显的。用来形 成衍射光栅52的材料具有初始折射率( )。对于本实施例，在操作中，衍射光栅52基本上被纳米多孔材料M包围。从而，如图 4B所示，因为纳米多孔材料M具有初始折射率(ripi)，该初始折射率等于衍射光栅的折射率 (rig) ( 即，npi = ng)，所以进入纳米多孔材料M的光80不受存在的嵌入的衍射光栅52的影 响。然而，如图4C所示，当纳米多孔材料M暴露于蒸汽时，其折射率从(Iipi)变化至(npe)， 使得npe Φ ng。当光栅高度色散时，进入暴露的纳米多孔材料M中的光80的一部分被嵌入 的衍射光栅52衍射(衍射光82)，该衍射光栅对于使用者可见到为衍射图案(如，彩虹型图 案)。这个衍射图案指示使用者，应当更换吸附剂筒芯。
在可替代实施例中，衍射元件可以用诸如透镜的折射元件代替。这样，透镜和包围 透镜的纳米多孔材料可以具有相同的初始折射率。当纳米多孔材料暴露于蒸汽时，其折射 率改变。从而，透镜可以看到在纳米多孔材料的折射率变化之前看不到的符号或其他结构。纳米多孔材料M可以包括均勻的或异质材料，并且例如可以由无机成分的混合 物、有机成分的混合物、无机和有机成分的混合物制成。纳米多孔材料有利地具有一系列 的孔尺寸或表面积，其被选择为提供与所述吸附剂介质的蒸汽吸附特性类似的蒸汽吸附特 性。可通过使用多孔材料(例如由高内相乳液制成的泡沫)获得适合的孔隙率，例如在美国 专利No. 6，573，305B1 (Thunhorst等人)中所述的那些。孔隙率还可以通过二氧化碳泡沫 来产生微孔材料而获得(见“Macromolecules”，2001，;M卷，pp. 8792-8801)，或者可以通过 共混聚合物的纳米相分离而获得(见“Science”，1999，283卷，p. 520)。一般来讲，孔直径 优选地为小于所需指示器着色的峰值波长。优选(例如)平均孔尺寸为约0. 5至约20nm、 0. 5至约IOnm或0. 5至约5nm的纳米尺寸的孔。代表性的无机纳米多孔材料包括多孔二氧化硅、金属氧化物、金属氮化物、金属氧 氮化物和通过暴露于特定蒸汽而改变折射率的其他无机材料。例如，无机纳米多孔材料可 以为二氧化硅类、氮化硅类、氮氧化硅类、氧化铝类、氧化钛类、氮化钛、氮氧化钛、氧化锡 类、氧化锆类、沸石类或它们的组合。多孔二氧化硅是示例性的纳米多孔材料。多孔二氧化硅类可(例如)使用溶胶-凝胶工艺路线制备，并且可使用或不使用 有机模板来制备。示例性的有机模板类包括表面活性剂，如阴离子或非离子表面活性剂，例 如烷基三甲基铵盐类、聚(环氧乙烷-co-环氧丙烷)嵌段共聚物类以及本领域的普通技术 人员熟知的其他表面活性剂类或聚合物类。溶胶-凝胶混合物可转化成硅酸盐，有机模板 可被移除以在二氧化硅中留下微孔网。代表性的多孔硅材料在Ogawa等人的Chem. Commun. Pp. 1149-1150 (1996)，在 Kresge 等人的 Nature, 359 卷，pp. 710-712 (1992)，在 Jia 等人的 Chemistry Letters, 33(2)卷，pp. 202-203(2004)以及在美国专利 No. 5，858，457 (Brinker 等人)中进行了描 述。也可采用各种有机分子作为有机模板。例如，糖类(例如葡萄糖和甘露糖)可用作有 机模板，以生成多孔硅酸盐类，参见Wei等人，Adv. Mater. 1998，10卷，p. 313(1998)。溶 胶-凝胶组合物中可包含有机取代的硅氧烷类或有机二硅氧烷类，以使微孔更具疏水性 并且限制水蒸气的吸附。也可采用等离子化学气相沉积法生成多孔无机测材料。美国专 利No. 6，312，793 (Grill等人)和美国公开No. 20070141580中描述了这种材料的例子。 例如，美国公开No. 20070141580描述了一种无定形随机共价网，其包括硅、碳、氢和氧， 平均孔尺寸的范围为从0.5至10纳米。另一种示例性的材料包括在美国专利申请系列 No. 11/618，010中描述的硅/碳/氧气等离子体沉积膜(SiCO)。代表性的有机纳米多孔材料包括聚合物、共聚物(包括嵌段共聚物)以及它们的 混合物，它们通过以下类别的单体制备或可通过以下类别的单体制备，这些单体包括疏水 性丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯、双官能单体、乙烯基单体、烃单体(烯烃)、硅烷单体、氟化单 体、羟基化单体、丙烯酰胺、酸酐、醛官能化单体、胺或胺盐官能化单体、酸官能化单体、环氧 化物官能化单体以及它们的混合物或组合。美国专利申请公开No. US2004/0184948A1包含 此类单体的详尽列表，并以此作为参考以获得更详细的描述。具有固有微孔性(PIM)的上 述聚合物可形成尤为理想的材料。PIM通常为形成微孔固体的非网状聚合物。由于其典型的高度刚性和扭曲的分子结构，使得PIM无法有效地填充空间，从而形成本发明所公开的微 孔结构。适合的 PIM包括(但不限于)在“Polymers of intrinsic microporosity (PIMs) robust, solution-processable, organic microporous materials"(固有微孑L 性聚 合物(PIM)稳固、溶液可处理的有机微孔材料)，Budd等人的Chem. Commun.，2004， pp. 230-231。另外的 PIMs 公开在 Budd 等人 J. Mater. Chem.，2005，15，pp. 1977-1986，in McKeown et al.，Chem. Eur. J. 2005，11，No. 9,2610-2620 以及已公布的 PCT 专利申请 No. WO 2005/012397A2 (McKeown 等人)中有所公开。有机层中的一种或多种聚合物可以至少部分地交联。在一些实施例中交联可能是 期望的，因为其可增加机械稳定性以及对某些被分析物的敏感度。可通过以下方法实现交 联在层中包含一种或多种多官能单体，对层进行(如)电子束或伽马射线处理，在层中添 加或形成配位化合物或离子化合物，或在层中形成氢键。在一个示例性实施例中，交联是在 存在致孔剂的情况下进行的，随后可将该致孔剂从交联体系中提取出来，以产生多孔材料。 合适的致孔剂包括(但不限于)惰性有机分子，例如正构烷烃类(如癸烷)或芳烃类(如 苯或甲苯)。其他交联聚合物包括上面提及的高度交联的苯乙烯聚合物。如果需要，可对纳米多孔材料进行处理，以改变其表面特性或吸附特性。可采用多 种这样的处理方法，例如，使无机纳米多孔材料的微孔暴露于适合的有机硅烷化合物。对于许多应用，纳米多孔材料为疏水性的。这将会减小水蒸汽(或液态水)在纳 米多孔材料中引起变化的机会。图:3B示出了可替代的示例性指示器8'的示意图。在优选方面，指示器8'包括设 置在基底53上的诸如衍射光栅52'的衍射元件。以下进一步详细描述光栅52'的形成。 或者，光栅52'可以蚀刻到基底53中。衍射元件(这里为衍射光栅52’)包括纳米多孔材料，其折射率随着暴露于蒸汽而 改变，使得其折射率从初始值(ngi)变化至暴露值(Hge)，使得nge Φ ngi。基底53设置在侧 壁6的内表面上并且能够利用诸如环氧树脂的常规粘合剂粘接到侧壁6的表面上。吸附剂 材料21包围嵌入的指示器8。在一个方面，回过去参考图3A，衍射元件可以是形成在二氧化硅或者说是透明的 基底上的衍射光栅52。在这个方面，衍射光栅52的折射率一直为常数，同时周围的纳米多 孔材料的折射率随着暴露而改变。在可替代方面，对于图:3B的实施例，衍射光栅52’包括纳米多孔材料，其折射率随 着暴露而改变。衍射光栅52’可以以如下方式制造。在一个示例性方面，衍射光栅52形成 为钻石样碳(DLC)和钻石样玻璃(DLG)的薄膜叠堆。美国专利申请序列No. 11/618,010中 描述了 DLC和DLG材料的沉积。图5A示出了用来形成最终光栅52’的处理中的光栅IOla的示意图。初始叠堆包 括基底102、形成在基底上的DLC层104、形成在DLC层上的DLG层106、以及形成在DLG层 上的光致抗蚀剂层108。在优选方面，基底102是二氧化硅材料。也可以采用彩色玻璃或其 它透明基底材料。其他的光栅可以形成在硅基基底上，该光栅最好用在主动系统中，与如上 所述的那些单独的光源和/或光纤结合。可以在间歇式反应器中进行沉积，例如能够由Plasmatherm(如，第3032模型)获 得。在DLC和DLG沉积之前，例如可以利用氧气等离子体和四甲基硅烷等离子体来预制基底102。DLC 104的厚度可以形成为从约500nm至约1000nm(优选约800nm)，并且DLG 106 的厚度可以形成为从约20nm至约100nm(优选约50nm)。可以采用常规的光致抗蚀剂材料， 例如积极的光致抗蚀剂材料，其具有的厚度为约500nm(如，MICROPOSIT S1805，得自Rohm and Hass Electronic materials, Marlborough, ΜΑ)。如图 5A 所示，光致抗烛齐[J 108 可以 具有标准交替图案。或者，光致抗蚀剂108可以具有合适的图案，用于炫耀光栅、线性调频 脉冲光栅或其他衍射元件。可以利用常规的光刻技术实现图案化和显影。然后，光致抗蚀剂图案被转印到DLG上，如图5B中正在处理的结构IOlb中所示。 例如，可以采用反应离子蚀刻(RIE)技术来转印图案。在一个例子中，可以利用C3F8/02蚀 刻来蚀刻DLG 106。当然，也可以采用其他的蚀刻方法。然后，该图案被进一步转印到DLC 层104上。例如，可以采用诸如02蚀刻的常规RIE技术。所得的正在处理的结构IOlc如 图5C所示。在蚀刻之后，光栅被退火，以形成随着暴露于某种蒸汽而改变折射率的图案化 的微孔无定形碳材料。在利用根据图5A-5C的形成过程形成的光栅执行的试验中，对光栅测试甲苯异议 浓度的范围。样品光栅被放置在测试室中。蒸发器用来产生甲苯蒸汽，该甲苯蒸汽被注入 到空气流中，该空气流(利用可调节的泵)泵送到测试室中。以约45度的角度放置样品光 栅并且用常规的显微镜灯照亮该样品光栅。大芯光纤用来收集反射光信号的一部分。反射 的光包括彩虹型图案。在暴露至50ppm的甲苯之后，样品在775nm下产生反射信号17%的 增加。在暴露至500ppm的甲苯之后，样品在775nm下产生反射信号25%的增加。图6提供了对于预先暴露和50ppm的暴露水平，样品衍射光栅响应甲苯暴露的曲 线图。利用钨卤素光源(R-LS-1，得自Ocean Optics)、反射探针和USB-2000光谱仪监控样 品的光谱数据。因此，纳米多孔材料结合衍射元件，作为呼吸器系统的暴露指示装置的一部分，能 用于EOLS或ESLI应用。本发明所属领域的技术人员在阅读本发明的说明书之后，本发明可适用的各种修 改形式、等同方法以及众多结构将变得显而易见。
权利要求
1.一种暴露指示装置，其设置在呼吸器系统中，其中所述暴露指示装置包括衍射光学 元件，所述暴露指示装置包括折射率随着暴露于化学蒸汽而改变的材料，所述暴露指示装 置提供光学特性随着暴露于所述化学蒸汽而改变的光学信号。
2.根据权利要求1所述的暴露指示装置，其中所述材料包括纳米多孔材料，所述纳米 多孔材料的折射率随着暴露于所述化学蒸汽而改变。
3.根据权利要求2所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件由所述纳米多孔材料 形成。
4.根据权利要求2所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件基本上嵌入所述纳米 多孔材料中。
5.根据权利要求4所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件包括衍射光栅，所述 衍射光栅的折射率基本上等于在暴露于所述化学蒸汽之前周围的所述纳米多孔材料的折射率。
6.根据权利要求5所述的暴露指示装置，其中所述衍射光栅的折射率不同于在充分暴 露于所述化学蒸汽后之前周围的所述纳米多孔材料的折射率。
7.根据权利要求1所述的暴露指示装置，其中所述暴露指示装置是被动装置。
8.根据权利要求1所述的暴露指示装置，其中所述暴露指示装置是主动装置。
9.根据权利要求3所述的暴露指示装置，其中所述衍射光栅包括图案化的微孔无定形 碳材料。
10.根据权利要求4所述的暴露指示装置，其中所述纳米多孔材料包括无定形随机共 价网，所述无定形随机共价网包括硅、碳、氢和氧，平均孔尺寸的范围为从约0.5至约10纳 米。
11.一种暴露指示装置，其设置在呼吸器系统中，所述呼吸器系统包括面罩，所述面罩 上已经安装有包括吸附剂材料的至少一个可更换空气净化呼吸器筒芯，所述暴露指示装置 包括衍射光学元件，其形成在基底上，所述基底安装到所述至少一个可更换空气净化呼吸 器筒芯的内侧壁，其中在所述至少一个可更换空气净化呼吸器筒芯的所述侧壁上的安装位 置基本上是透明的，所述暴露指示装置包括纳米多孔材料，所述纳米多孔材料的折射率随 着暴露于化学蒸汽而改变，所述暴露指示装置提供光学特性随着暴露于所述化学蒸汽而改 变的光学信号。
12.根据权利要求11所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件由所述纳米多孔材 料形成，所述纳米多孔材料的折射率随着暴露于所述化学蒸汽而改变。
13.根据权利要求11所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件基本上嵌入所述纳 米多孔材料中，并且所述纳米多孔材料基本上被所述吸附剂材料包围。
14.根据权利要求13所述的暴露指示装置，其中所述衍射光学元件包括衍射光栅，所 述衍射光栅的折射率基本上等于在暴露于所述化学蒸汽之前周围的所述纳米多孔材料的 折射率，并且与充分暴露于所述化学蒸汽之后周围的所述纳米多孔材料的折射率不同。
15.根据权利要求11所述的暴露指示装置，其中所述暴露指示装置是被动装置。
全文摘要
本发明描述了一种暴露指示装置，其设置在呼吸器系统中。所述暴露指示装置包括衍射光学元件。所述暴露指示装置包括折射率随着暴露于化学蒸汽而改变的材料，其中该暴露指示装置提供光学特性随着暴露于所述化学蒸汽而改变的光学信号。
文档编号A62B18/08GK102056649SQ200980121024
公开日2011年5月11日 申请日期2009年6月15日 优先权日2008年6月30日
发明者多拉·M·保卢奇, 詹姆斯·M·巴蒂亚托 申请人:3M创新有限公司
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