JP2005233740A - Optical detection type hydrogen detection element and hydrogen detection device - Google Patents

Optical detection type hydrogen detection element and hydrogen detection device Download PDF

Info

Publication number
JP2005233740A
JP2005233740A JP2004042457A JP2004042457A JP2005233740A JP 2005233740 A JP2005233740 A JP 2005233740A JP 2004042457 A JP2004042457 A JP 2004042457A JP 2004042457 A JP2004042457 A JP 2004042457A JP 2005233740 A JP2005233740 A JP 2005233740A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
hydrogen
film
detection element
reaction film
hydrogen reaction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004042457A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akihisa Terano
昭久 寺野
Kazuhiro Mochizuki
和浩 望月
Hiroyuki Uchiyama
博幸 内山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Cable Ltd, Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Cable Ltd
Priority to JP2004042457A priority Critical patent/JP2005233740A/en
Priority to US10/914,271 priority patent/US20050186117A1/en
Publication of JP2005233740A publication Critical patent/JP2005233740A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical detection type hydrogen detection element and a hydrogen detection device for detecting hydrogen optically, having high sensitivity and excellent long-period reliability. <P>SOLUTION: This hydrogen detection element has a constitution formed so as to have the maximum length of 70 μm or less on a catalyst metal film pattern region provided on the same plane on a transparent substrate or on a metal oxide. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、水素の存在を安全に検知する光検知式水素検出素子、及びこれを搭載した水素検出装置に関する。   The present invention relates to a photodetection type hydrogen detection element that safely detects the presence of hydrogen, and a hydrogen detection apparatus equipped with the same.

一般に水素等が含有された可燃性ガスを検知するガスセンサには、半導体式の他、接触燃焼式、光検知式等が知られているが、上記可燃性ガスの場合、常温で水素検知が可能で、かつ電気接点等の着火源を持たない防爆性に優れた安全性の高い光検知式水素センサが適している。
これは、水素分子や水素原子を取りこむことによって、光学的特性が変化する材料をセンサ素子に用いているものであり、水素含有雰囲気中に曝すと、上記材料に変色や膨張が起こるため、光吸収率や光透過率、表面粗さ、材料自身の体積等が変化する。この時、上記センサ素子に光を照射すると、水素雰囲気中に曝す前と比較して反射光量や透過光量が変化するため、これを測定することで水素の存在を検出するものである。
In general, gas sensors that detect flammable gases containing hydrogen, etc., are known to use semiconductor combustion, contact combustion, and light detection. However, in the case of the above flammable gases, hydrogen can be detected at room temperature. In addition, a highly safe photodetection type hydrogen sensor having an explosion-proof property and no ignition source such as an electrical contact is suitable.
This is because the sensor element is made of a material that changes its optical characteristics by incorporating hydrogen molecules and hydrogen atoms. When exposed to a hydrogen-containing atmosphere, the material will be discolored and expanded, and light Absorptivity, light transmittance, surface roughness, material volume, etc. change. At this time, when the sensor element is irradiated with light, the amount of reflected light and the amount of transmitted light change compared with those before exposure to a hydrogen atmosphere. By measuring this, the presence of hydrogen is detected.

一例として、平坦なタングステン基板に陽極酸化法を用いて含水酸化タングステン膜を形成した後、触媒膜として真空蒸着法やスパッタ法によりパラジウム膜を薄く堆積して作製した水素検出素子がある(特許文献1を参照)。
この方法によれば、波長1.4μmの光を表面側から基板に向けて照射した状態で、上記検出素子の置かれている雰囲気を、通常の空気から1%水素を含む空気に変えたとき約10秒で水素に応答する、即ち反射光量が変化することが記載されている。
上記方法は、含水酸化タングステン膜からなる金属酸化物とパラジウム膜からなる触媒膜との積層膜によって構成されており、パラジウムが水素分子を吸着した際に水素原子に解離して、この解離した水素原子がパラジウム膜の下層に位置する含水酸化タングステン膜に作用して変色を起こし、含水酸化タングステン膜中における光の吸収率・反射率に変化をもたらしたものである。この構造は、水素の存在を低濃度域まで検知できる高感度な水素検出素子の一つとして知られている。
As an example, there is a hydrogen detection element manufactured by forming a tungsten oxide hydroxide film on a flat tungsten substrate using an anodic oxidation method and then depositing a palladium film thinly as a catalyst film by vacuum deposition or sputtering (Patent Document) 1).
According to this method, when the atmosphere in which the detection element is placed is changed from normal air to air containing 1% hydrogen in a state where light having a wavelength of 1.4 μm is irradiated from the surface side toward the substrate. It is described that it responds to hydrogen in about 10 seconds, that is, the amount of reflected light changes.
The above method is composed of a laminated film of a metal oxide composed of a hydrous tungsten oxide film and a catalyst film composed of a palladium film. When palladium adsorbs hydrogen molecules, it dissociates into hydrogen atoms, and the dissociated hydrogen The atoms act on the hydrous tungsten oxide film located below the palladium film to cause discoloration, thereby causing changes in the light absorption and reflectance in the hydrous tungsten oxide film. This structure is known as one of highly sensitive hydrogen detection elements that can detect the presence of hydrogen to a low concentration range.

他の例として、基体上に触媒金属として例えばPd(パラジウム)薄膜のみを形成して作製した光検知式水素検出素子がある(特許文献2を参照)。
これはPd膜の水素吸蔵によって生じるPd膜自体の光透過率または光反射率の変化を測定することにより水素の存在を検知するものである。上記金属酸化物を用いた検出素子に比べて、応答時間が速い素子であることが記載されている。
As another example, there is a photodetection type hydrogen detection element manufactured by forming, for example, only a Pd (palladium) thin film as a catalyst metal on a substrate (see Patent Document 2).
This is to detect the presence of hydrogen by measuring the change in the light transmittance or light reflectance of the Pd film itself caused by the hydrogen absorption of the Pd film. It is described that the device has a faster response time than the detection device using the metal oxide.

特開平7‐72080号公報JP-A-7-72080

特開平5‐196569号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-196569

上記従来技術に記した触媒金属膜/金属酸化物2層構造、及び触媒金属膜単層からなる光検知式水素検出素子は、2種類とも動作原理と構造に関して広く一般に知れ渡っており、各研究機関において、その水素検知性能に関する詳細な研究が数多くなされている。
しかしながら、上記2種類の水素検出素子は共に、水素を吸蔵・放出する性質を有する触媒金属膜を用いているため、その際に生じる体積膨張・体積収縮に起因した繰返し応力によって、触媒金属膜自体が極めて損傷を受やすい欠点がある。最悪の場合、触媒金属膜の剥離が発生して、検知性能の著しい低下を招くため、長期信頼性という点において問題である。
The two types of photodetection-type hydrogen detection elements comprising the catalyst metal film / metal oxide bilayer structure and the catalyst metal film single layer described in the above prior art are widely known in terms of operating principle and structure. Many studies have been conducted on hydrogen detection performance.
However, since both of the above two types of hydrogen detecting elements use a catalytic metal film having the property of occluding and releasing hydrogen, the catalytic metal film itself is caused by repetitive stress caused by volume expansion and contraction generated at that time. However, it has the disadvantage of being very susceptible to damage. In the worst case, peeling of the catalytic metal film occurs, causing a significant decrease in detection performance, which is a problem in terms of long-term reliability.

そこで本発明の目的は、上記2種類の光検知式水素検出素子について、これまでの高感度かつ安定した検知性能を維持しつつ、これまでよりも飛躍的に長寿命化された光検知式水素検出素子、及びこれを搭載した水素センサを提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a photodetection type hydrogen detection device that has dramatically improved the lifetime of the above two types of photodetection type hydrogen detection elements while maintaining the high sensitivity and stable detection performance so far. A detection element and a hydrogen sensor equipped with the detection element are provided.

本発明者等は、繰返し応力による触媒金属膜の膜剥がれは、同一平面上に被着形成した触媒金属膜の大きさ・長さが関係しているものと考えた。
そこで触媒金属膜であるパラジウム膜の被着面積と、水素吸蔵・放出の際の体積膨張・収縮による膜の形状劣化との関係について研究を進め、パラジウム膜の被着面積を縮小することによって、膜が受ける繰り返し応力の影響を無視できる程度まで緩和して膜剥がれ等の不良を防止できることを見出した。
The present inventors considered that the peeling of the catalyst metal film due to repeated stress is related to the size and length of the catalyst metal film deposited on the same plane.
Therefore, by researching the relationship between the deposition area of the palladium metal film, which is a catalytic metal film, and the shape deterioration of the film due to volume expansion / contraction during hydrogen storage / release, by reducing the deposition area of the palladium film, The present inventors have found that the influence of repeated stress on the film can be relaxed to a level that can be ignored and defects such as film peeling can be prevented.

透明基板として平坦なガラス基板上に、膜厚50nmのパラジウム膜を、被着パターンサイズをそれぞれ500μmφ、300μmφ、200μmφ、100μmφ、50μmφ、30μmφ、10μmφの7通りで形成した。
そして通常の空気から(1)3%水素を含む空気中で1分間放置→(2)通常の空気中で5分間放置→(1)3%水素を含む空気中で1分間放置→(2)通常の空気中で5分間放置、という(1)→(2)というサイクルを合計20回繰り返し、上記水素曝露実験前後における膜表面の凹凸状態を測定した。
その結果、50μmφを含むそれ以下のパターンサイズでは、実験前の表面状態と殆ど変化がない、即ち繰返し応力による膜剥がれ等の膜の形状劣化が起こっていないことが判明した。
A palladium film having a film thickness of 50 nm was formed on a flat glass substrate as a transparent substrate in seven deposition pattern sizes of 500 μmφ, 300 μmφ, 200 μmφ, 100 μmφ, 50 μmφ, 30 μmφ, and 10 μmφ, respectively.
And from normal air (1) left in air containing 3% hydrogen for 1 minute → (2) left in normal air for 5 minutes → (1) left in air containing 3% hydrogen for 1 minute → (2) The cycle of (1) → (2), which was allowed to stand in normal air for 5 minutes, was repeated 20 times in total, and the uneven state of the film surface before and after the hydrogen exposure experiment was measured.
As a result, it was found that with a pattern size of 50 μmφ or less, there was almost no change from the surface state before the experiment, that is, no film shape degradation such as film peeling due to repeated stress occurred.

また、パターン形状を円形から四角形に変え、一辺が上記寸法である7通りの矩形パターンで同様の実験を行った場合でも、ほぼ同様に50μmを境に形状劣化の有無を確認できた。この時の最大長さは、対角線長の約70μmであり、この結果から、パターンの最大長さが70μmであっても膜の形状劣化が起こらないことが判明した。
しかし100μmφ、100μmを含むそれ以上のパターンサイズでは、膜の浮き上がりや局所的な剥離が観察された。
パラジウム膜の膜厚を80nmに厚くした場合でも、50μm(対角線長=約70μm)では表面の凹凸が水素曝露実験前と比べて〜10%程度大きくなるものの、著しい膜剥がれ等は確認されなかった。このことから円形、四角形ともにパターンの最長寸法が約70μm以下であれば、膜の形状劣化が起きにくいことが判った。
Further, even when the same experiment was performed with the seven different rectangular patterns having the above-mentioned dimensions by changing the pattern shape from a circular shape to a quadrangular shape, the presence or absence of shape deterioration could be confirmed almost at the boundary of 50 μm . The maximum length at this time is about 70 μm of the diagonal length, and it was found from this result that the film shape does not deteriorate even if the maximum length of the pattern is 70 μm.
However, when the pattern size is larger than 100 μmφ and 100 μm , the film is lifted up or locally peeled off.
Even when the film thickness of the palladium film is increased to 80 nm, the surface unevenness is increased by about 10% compared to before the hydrogen exposure experiment at 50 μm (diagonal length = about 70 μm), but no significant film peeling is confirmed. It was. From this, it was found that if the longest dimension of the pattern is about 70 μm or less for both the circle and the rectangle, the film shape hardly deteriorates.

さらに、平坦なガラス基板上に上記7通りの寸法を有する膜厚500nmの酸化タングステン膜からなる円形、及び矩形パターンを最大30μm間隔でランダムに被着・形成した後、真空蒸着法を用いて膜厚50nmのパラジウム膜を酸化タングステン膜側面にも被着するように、即ち酸化タングステン膜上面及びガラス基板表面と連続的な一連の膜となるようにガラス基板上全面に堆積して、上記と同様の水素曝露実験を行った。この時、酸化タングステン膜パターンの側面は、基板表面に対してほぼ垂直となるよう加工・形成している。
その結果、酸化タングステン膜のパターン形状が100μmφ、100μmを含むそれ以上の大きいパターンにおいて、酸化タングステン膜上面部で局所的にパラジウム膜の浮き上がりが観察された。
この不良はパターンサイズが大きなるほど膜剥がれの程度が大きくなっており、さらに、膜剥がれが起こったパターンの周辺部、すなわち酸化タングステン膜側面と酸化タングステン膜側面から延びるガラス基板上のパラジウム膜においても、上記膜剥がれの影響によるものと考えられる膜剥がれや表面荒れが観察された。
これに対して、パターン寸法が50μmφ、50μm(対角線長=約70μm)以下のパターンでは、上記膜剥がれや表面荒れは観察されなかった。
Further, a circular and rectangular pattern made of a tungsten oxide film having a thickness of 500 nm having the above seven dimensions is randomly deposited and formed on a flat glass substrate at intervals of a maximum of 30 μm, and then the film is formed using a vacuum deposition method. A 50 nm thick palladium film is deposited on the entire surface of the glass substrate so as to be deposited on the side of the tungsten oxide film, that is, a continuous film on the upper surface of the tungsten oxide film and the surface of the glass substrate. The hydrogen exposure experiment was conducted. At this time, the side surface of the tungsten oxide film pattern is processed and formed to be substantially perpendicular to the substrate surface.
As a result, in a larger pattern including a tungsten oxide film having a pattern shape including 100 μmφ and 100 μm , a lift of the palladium film was observed locally on the upper surface of the tungsten oxide film.
This defect has a greater degree of film peeling as the pattern size increases, and also in the peripheral part of the pattern where film peeling occurs, that is, in the palladium film on the glass substrate extending from the side surface of the tungsten oxide film and the side surface of the tungsten oxide film. Further, film peeling and surface roughness considered to be due to the influence of the film peeling were observed.
On the other hand, in the pattern having pattern dimensions of 50 μmφ and 50 μm (diagonal length = about 70 μm) or less, the above film peeling and surface roughness were not observed.

以上のことから、従来水素の吸蔵・放出による繰返し応力の影響によって損傷を受けていたパラジウム等の触媒金属膜の被着面積を縮小化することによって、膜の形状劣化を防止できることを見出した上、大面積を有する触媒金属膜でも、局所的に急峻な段差を設けて同一平面上での最大長さを縮小化することにより、同一平面上の触媒金属膜をパターンサイズ化した時と同等の耐性があること、すなわち触媒金属膜の膨張・収縮によって発生する膜応力を緩和して、膜の形状劣化を防止できることをも見出した。
即ち本発明は、透明基板上もしくは金属酸化物上に触媒金属膜を形成してなる水素検出素子において、同一平面上における触媒金属膜形成領域における最大長さを70μm以下とすることを特徴とした光検知式水素検出素子であり、この構造の素子を用いることによって、水素検知に関して従来の高感度かつ安定した検知性能を維持すると共に、素子の長寿命化を同時に達成することができる。
From the above, it has been found that the deterioration of the shape of the film can be prevented by reducing the deposition area of the catalytic metal film such as palladium, which has been damaged by the influence of repeated stress due to the insertion and extraction of hydrogen. Even when the catalytic metal film has a large area, it is equivalent to when the catalytic metal film on the same plane is patterned by reducing the maximum length on the same plane by providing locally steep steps. It has also been found that the film is resistant, that is, the film stress generated by the expansion and contraction of the catalytic metal film can be relaxed to prevent deterioration of the film shape.
That is, the present invention is characterized in that, in a hydrogen detection element formed by forming a catalytic metal film on a transparent substrate or a metal oxide, the maximum length in the catalytic metal film forming region on the same plane is 70 μm or less. By using an element having this structure, which is a photodetection type hydrogen detection element, the conventional high sensitivity and stable detection performance for hydrogen detection can be maintained, and at the same time, the lifetime of the element can be increased.

また本発明は、触媒膜単膜、もしくは触媒膜/金属酸化物2層構造膜を透明基板表面側だけではなく、裏面側にも形成して良く、表裏両面に形成することによって水素検知部が2倍になるため、さらなる高感度化を図ることができる。
上記実験では円形及び矩形からなるパターン形状を用いているが、同一平面上における触媒金属膜パターン領域における最大長さが70μm以下であるならば、上記のほか楕円形、多角形等、いかなる形状のパターンを用いても良いことは明らかである。
In the present invention, a catalyst film single film or a catalyst film / metal oxide bilayer structure film may be formed not only on the surface side of the transparent substrate but also on the back surface side. Since it becomes 2 times, further high sensitivity can be achieved.
In the above experiment, a pattern shape consisting of a circle and a rectangle is used. If the maximum length in the catalytic metal film pattern region on the same plane is 70 μm or less, any shape such as an ellipse or a polygon can be used. Obviously, a pattern may be used.

さらにはサイズの決まったパターン以外でもよく、触媒膜/金属酸化物2層構造の場合であるならば、大きさが0.1〜10μm程度の大きさや形状の異なる不定形な結晶粒からなる金属酸化物を透明基板上全面にまばらに形成した後、その上面全面に触媒膜を被着した場合でも、本発明の目的を達成できることは明らかである。   Furthermore, the pattern may be other than a predetermined pattern, and if it is a catalyst film / metal oxide bilayer structure, a metal composed of amorphous crystal grains having a size or shape of about 0.1 to 10 μm. It is apparent that the object of the present invention can be achieved even when the oxide film is sparsely formed on the entire surface of the transparent substrate and then the catalyst film is deposited on the entire upper surface.

また上記実験では、金属酸化物に酸化タングステンを、触媒金属にパラジウムを用いているが、金属酸化物に酸化バナジウムや酸化モリブデンを、触媒金属にプラチナを用いて、各組み合わせにより上記水素曝露実験を行った場合でも、上記触媒金属膜パターンの寸法範囲であれば、如何なる組み合わせでも触媒金属膜の形状劣化は発生しなかった。   In the above experiment, tungsten oxide is used for the metal oxide and palladium is used for the catalyst metal. However, the above hydrogen exposure experiment is performed using each combination of vanadium oxide and molybdenum oxide for the metal oxide and platinum for the catalyst metal. Even when the measurement was performed, the shape of the catalytic metal film did not deteriorate in any combination as long as it was within the dimensional range of the catalytic metal film pattern.

本発明の光検知式水素検出素子は、水素曝露を数多く繰り返した場合でも触媒膜剥がれ等の不良が起こらない長寿命な素子であり、触媒膜/金属酸化物構造の場合、金属酸化物の形状によっては水素感応面が増大することから、従来構造よりも高感度かつ長期信頼性に優れた光検知式水素検出素子、及びこれを搭載した水素検出装置を容易に再現性良く作製できる。   The photodetection type hydrogen detection element of the present invention is a long-life element in which defects such as catalyst film peeling do not occur even when hydrogen exposure is repeated many times. In the case of a catalyst film / metal oxide structure, the shape of the metal oxide In some cases, the hydrogen sensitive surface increases, so that a photodetection type hydrogen detection element having a higher sensitivity and longer-term reliability than a conventional structure and a hydrogen detection device equipped with the same can be easily produced with good reproducibility.

以下本発明を実施例に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples.

<実施例1>
図1は本発明の触媒膜/金属酸化物2層構造による水素検出素子の実施例である。
ガラス基板10上に、周知の高周波マグネトロンスパッタ法を用いて膜厚500nmの酸化タングステン膜11を被着する。
ホトリソグラフィ技術を用いて20μmφのレジストパターンからなる開口部を最大20μm間隔で基板10上全面にわたって複数個所設け、周知の真空蒸着法を用いて膜厚50nmのパラジウム膜を被着した後、リフトオフ法により不要なレジストパターン及びパラジウム膜を除去して20μmφパラジウムパターン12を形成することにより水素検出素子13が完成する。
完成した水素検出素子13に対して、前述した水素曝露実験(水素含有空気の水素濃度は1%)を100回繰り返して行った後、触媒膜パラジウムパターン12表面を測定・観察した結果、表面荒れや膜剥がれ等の形状劣化は一切見られなかった。
<Example 1>
FIG. 1 shows an embodiment of a hydrogen detecting element having a catalyst film / metal oxide bilayer structure according to the present invention.
A 500 nm-thickness tungsten oxide film 11 is deposited on the glass substrate 10 by using a well-known high-frequency magnetron sputtering method.
Using a photolithographic technique, a plurality of openings made of a resist pattern of 20 μmφ are provided over the entire surface of the substrate 10 at intervals of a maximum of 20 μm, a palladium film having a thickness of 50 nm is deposited using a well-known vacuum deposition method, and then lift-off method Thus, the unnecessary resist pattern and palladium film are removed to form a 20 μmφ palladium pattern 12, thereby completing the hydrogen detection element 13.
As a result of measuring and observing the surface of the catalyst membrane palladium pattern 12 after repeating the above-described hydrogen exposure experiment (hydrogen concentration of hydrogen-containing air is 1%) 100 times for the completed hydrogen detection element 13, the surface roughness was found. No shape degradation such as film peeling was observed.

この時、同時に波長1.2μmの光を表面側から基板に向けて照射して透過光量の変化を観測したが、水素含有空気に晒した直後から透過光が減衰していくことが確認でき、約10秒後には曝露前における透過光量の1/2にまで減衰した。さらに、透過光の減衰量に関して水素暴露100回目においても1回目と殆ど同じ特性が得られることも確認できた。
また上記実施例では、酸化タングステンとパラジウムを用いて素子を作製した例について述べたが、この他、金属酸化物には酸化バナジウムや酸化モリブデンを、触媒金属にプラチナを用いて各組み合わせで水素曝露実験を行っても、各触媒金属膜の形状劣化は起こらなかった。
At the same time, the light with a wavelength of 1.2 μm was irradiated from the surface side toward the substrate to observe the change in the amount of transmitted light, but it was confirmed that the transmitted light attenuated immediately after exposure to hydrogen-containing air. After 10 seconds, it attenuated to half the amount of transmitted light before exposure. Furthermore, it was confirmed that the same characteristics as the first time were obtained in the 100th hydrogen exposure with respect to the attenuation of transmitted light.
In the above embodiment, an example was described in which an element was fabricated using tungsten oxide and palladium. In addition to this, hydrogen exposure was performed in various combinations using vanadium oxide or molybdenum oxide as a metal oxide and platinum as a catalyst metal. Even when the experiment was performed, the shape of each catalytic metal film did not deteriorate.

<実施例2>
図2は本発明の触媒膜単層による他の水素検出素子の実施例である。
ガラス基板20上に、ホトリソグラフィ技術を用いて50μmのレジストパターンからなる開口部を最大30μm間隔で基板20上全面にわたって複数個所設け、周知の真空蒸着法を用いて膜厚80nmのパラジウム膜を被着した後、リフトオフ法により不要なレジストパターン及びパラジウム膜を除去して50μmパラジウムパターン21を形成することにより水素検出素子22が完成する。
完成した水素検出素子22に対して上記実施例1と同様の水素曝露実験(水素含有空気の水素濃度は5%)を行いパラジウムパターン21表面を測定・観察した結果、若干の表面荒れが発生したが、膜剥がれは一切見られなかった。
<Example 2>
FIG. 2 shows another embodiment of the hydrogen detection element using the catalyst film monolayer of the present invention.
A plurality of openings made of a resist pattern of 50 μm are provided on the glass substrate 20 over the entire surface of the substrate 20 at intervals of a maximum of 30 μm using a photolithography technique, and a palladium film having a thickness of 80 nm is formed using a well-known vacuum evaporation method. After the deposition, an unnecessary resist pattern and palladium film are removed by a lift-off method to form a 50 μm square palladium pattern 21, thereby completing the hydrogen detection element 22.
As a result of measuring and observing the surface of the palladium pattern 21 by performing the same hydrogen exposure experiment (hydrogen concentration of hydrogen-containing air as 5%) on the completed hydrogen detection element 22, the surface roughness was slightly generated. However, no film peeling was observed.

この時、同時に波長740nmの光を表面側から基板に向けて照射して反射光量の変化を観測したが、水素含有空気に晒して約2秒後から反射光量が減衰していくことが確認できた。約20秒後には曝露前における反射光量の1/3にまで減衰することを確認した。
また上記実施例では、パラジウム膜を用いた例について述べたが、プラチナ膜を用いて上記水素曝露実験を行っても膜剥がれ等の膜の形状劣化は見られなかった。
At the same time, light with a wavelength of 740 nm was irradiated toward the substrate from the surface side, and the change in the amount of reflected light was observed, but it was confirmed that the amount of reflected light was attenuated about 2 seconds after exposure to hydrogen-containing air. It was. After about 20 seconds, it was confirmed that it attenuated to 1/3 of the amount of reflected light before exposure.
Moreover, although the example which used the palladium film | membrane was described in the said Example, even if it performed the said hydrogen exposure experiment using the platinum film | membrane, film | membrane shape degradation, such as film | membrane peeling, was not seen.

<実施例3>
図3は本発明の触媒膜/金属酸化物2層構造領域と触媒膜単膜領域が混在する特殊な構造を有する水素検出素子の実施例である。
ガラス基板30上に、ホトリソグラフィ技術を用いて30μmφのレジストパターンからなる開口部を50μm間隔でガラス基板30上全面にわたって複数個所設け、周知の真空蒸着法を用いて膜厚100nmのバナジウム膜を被着した後、リフトオフ法により不要なレジストパターン及びバナジウム膜を除去する。
<Example 3>
FIG. 3 shows an embodiment of the hydrogen detection element having a special structure in which the catalyst film / metal oxide bilayer structure region and the catalyst film single film region of the present invention coexist.
A plurality of openings made of a resist pattern of 30 μmφ are provided on the entire surface of the glass substrate 30 at intervals of 50 μm on the glass substrate 30 using a photolithography technique, and a vanadium film having a film thickness of 100 nm is coated using a well-known vacuum deposition method. After the deposition, an unnecessary resist pattern and vanadium film are removed by a lift-off method.

酸素雰囲気中において600℃程度の熱処理を施すことにより、ガラス基板30上に30μmφのサイズを有する多数個の酸化バナジウムパターン31が形成される。
この時、破線A‐A'で示される酸化バナジウム膜31の断面は、図3(b)に示すような酸化バナジウムパターン31による凸部が形成されており、酸化バナジウムパターン31の膜厚を測定した結果、約250nmであることを確認した。
周知の真空蒸着法を用いて、基板30上全面に膜厚30nmのプラチナ膜32を被着することにより、触媒膜/金属酸化物2層構造領域と触媒膜単膜領域が混在する水素検出素子33が完成する。
By performing heat treatment at about 600 ° C. in an oxygen atmosphere, a large number of vanadium oxide patterns 31 having a size of 30 μmφ are formed on the glass substrate 30.
At this time, the cross section of the vanadium oxide film 31 indicated by the broken line AA ′ has a convex portion formed by the vanadium oxide pattern 31 as shown in FIG. 3B, and the film thickness of the vanadium oxide pattern 31 is measured. As a result, it was confirmed that the thickness was about 250 nm.
A hydrogen detection element in which a catalyst film / metal oxide bilayer structure region and a catalyst film single film region coexist by depositing a platinum film 32 having a film thickness of 30 nm on the entire surface of the substrate 30 using a known vacuum deposition method. 33 is completed.

上記本発明の水素検出素子の特徴は、高速応答性に優れた触媒膜単膜領域と、低濃度検知が可能な触媒膜/金属酸化物2層構造領域が混在しているため、検知場所等への適用範囲に制限がなく、低濃度から高濃度域までの水素検知を必要とする場合に適用可能な水素検出素子である。   The hydrogen detection element of the present invention is characterized in that a catalyst film single film region excellent in high-speed response and a catalyst film / metal oxide two-layer structure region capable of low concentration detection are mixed, so that the detection location, etc. This is a hydrogen detection element that can be applied to cases where there is no limitation on the application range of the sensor and hydrogen detection is required from a low concentration to a high concentration range.

<実施例4>
図4は本発明の触媒膜/金属酸化物2層構造による特殊な凹凸形状を有する水素検出素子の実施例である。
ガラス基板40上に、真空蒸着法を用いて膜厚100nmのモリブデン膜を被着した後、通常の空気雰囲気中において650℃程度の熱処理を施して、ガラス基板40上全面に酸化モリブデン膜41を形成する。この時酸化モリブデン膜41の膜厚を測定した結果、約250nmであることを確認した。
<Example 4>
FIG. 4 shows an embodiment of a hydrogen detecting element having a special uneven shape by the catalyst film / metal oxide bilayer structure of the present invention.
After depositing a molybdenum film having a thickness of 100 nm on the glass substrate 40 using a vacuum deposition method, a heat treatment at about 650 ° C. is performed in a normal air atmosphere to form a molybdenum oxide film 41 on the entire surface of the glass substrate 40. Form. At this time, as a result of measuring the film thickness of the molybdenum oxide film 41, it was confirmed to be about 250 nm.

ホトリソグラフィ技術を用いて対角線長さが20μmである正六角形のレジストパターンからなる開口部を最大20μm間隔で形成する。
真空蒸着法を用いて膜厚100nmのモリブデン膜を被着した後、リフトオフ法により不要なレジストパターン及びモリブデン膜を除去して対角線長さが20μmの正六角形状のモリブデンパターンを形成する。
再度空気雰囲気中において650℃程度の熱処理を施すことにより、酸化モリブデン膜41と接着している正六角形状の酸化モリブデンパターン42が形成される。
この時、破線B‐B'で示される酸化モリブデン膜41と正六角形状の酸化モリブデンパターン42とが重なった領域の断面は、図4(b)に示すような酸化モリブデン膜による凹凸が形成されている。
Using photolithography technology, openings made of a regular hexagonal resist pattern having a diagonal length of 20 μm are formed at intervals of a maximum of 20 μm.
After depositing a molybdenum film having a thickness of 100 nm using a vacuum deposition method, unnecessary resist patterns and molybdenum films are removed by a lift-off method to form a regular hexagonal molybdenum pattern having a diagonal length of 20 μm.
By performing heat treatment at about 650 ° C. again in an air atmosphere, a regular hexagonal molybdenum oxide pattern 42 bonded to the molybdenum oxide film 41 is formed.
At this time, in the cross section of the region where the molybdenum oxide film 41 and the regular hexagonal molybdenum oxide pattern 42 indicated by the broken line BB ′ overlap, the unevenness by the molybdenum oxide film as shown in FIG. 4B is formed. ing.

周知の真空蒸着法を用いて、基板40上全面に膜厚10nmのパラジウム膜43を被着することにより、特殊な構造を有する他の水素検出素子44が完成する。
本発明の水素検出素子は、水素検知領域である触媒膜/金属酸化物2層構造領域が正六角形状の酸化モリブデンパターン42側面にも形成されているため、検知部面積が拡大し、同一サイズの透明基板上に作製した通常の平面的な水素検出素子に比べて、検知感度及び応答速度がさらに向上する。
The other hydrogen detection element 44 having a special structure is completed by depositing a palladium film 43 having a thickness of 10 nm on the entire surface of the substrate 40 using a known vacuum deposition method.
In the hydrogen detection element of the present invention, the catalyst film / metal oxide bilayer structure region, which is the hydrogen detection region, is also formed on the side surface of the regular hexagonal molybdenum oxide pattern 42. The sensitivity and response speed are further improved as compared with a normal planar hydrogen detection element fabricated on a transparent substrate.

完成した水素検出素子44に対して、波長1.2μmの光を表面側から基板に向けて照射しながら水素曝露実験(水素含有空気の水素濃度は0.2%、0.5%、1%の3通り)を行い、この時の透過光量の変化を観測した結果、水素含有空気に晒した直後から透過光が減衰していくことが確認できた。さらに、それぞれの水素濃度における透過光の減衰量は、濃度が高くなるほど減衰量も比例して大きくなっていくことも確認した。   Hydrogen exposure experiment (3 levels of hydrogen concentration of hydrogen-containing air: 0.2%, 0.5%, 1%) while irradiating light of 1.2μm wavelength toward the substrate from the surface side to the completed hydrogen detection element 44 As a result of observing the change in the amount of transmitted light at this time, it was confirmed that the transmitted light was attenuated immediately after exposure to hydrogen-containing air. Furthermore, it was also confirmed that the attenuation of transmitted light at each hydrogen concentration increased proportionally as the concentration increased.

<実施例5>
図5は本発明の触媒膜/金属酸化物2層構造領域と触媒膜単膜領域とガラス基板が露出した領域が混在する特殊な構造を有する他の水素検出素子の実施例である。
ガラス基板50上に、ホトリソグラフィ技術を用いて30μmφのレジストパターンからなる開口部を最大30μm間隔でガラス基板50上全面にわたって複数個所設け、周知の真空蒸着法を用いて膜厚50nmのタングステン膜を被着した後、リフトオフ法により不要なレジストパターン及びタングステン膜を除去する。
<Example 5>
FIG. 5 shows an embodiment of another hydrogen detection element having a special structure in which the catalyst film / metal oxide bilayer structure region, the catalyst film single film region, and the region where the glass substrate is exposed are mixed.
A plurality of openings made of a resist pattern of 30 μmφ are provided over the entire surface of the glass substrate 50 at a maximum interval of 30 μm on the glass substrate 50 using a photolithography technique, and a tungsten film having a thickness of 50 nm is formed using a well-known vacuum evaporation method. After deposition, an unnecessary resist pattern and tungsten film are removed by a lift-off method.

酸素雰囲気中において500℃程度の熱処理を施すことにより、ガラス基板50上30μmφのサイズを有する複数個の酸化タングステンパターン51が形成される。
ガラス基板50上に、ホトリソグラフィ技術を用いて、先ほど形成した円形の酸化タングステンパターン51よりも半径にして5μm大きい40μmφのレジストパターンからなる開口部を、各酸化タングステンパターン51の外周部に形成する。
周知の真空蒸着法を用いて膜厚20nmのプラチナ膜を被着した後、リフトオフ法により不要なレジストパターン及びプラチナ膜を除去して、パラジウムパターン52を形成することにより、触媒膜/金属酸化物2層構造領域と触媒膜単膜領域とガラス基板表面が露出した領域が混在する水素検出素子53が完成する。
本素子53においても、上記実施例と同様良好な水素感応特性を示すことを確認した。本素子を用いて水素検出装置を構築した実施例を、後の<実施例7>に記載する。
By performing heat treatment at about 500 ° C. in an oxygen atmosphere, a plurality of tungsten oxide patterns 51 having a size of 30 μmφ are formed on the glass substrate 50.
An opening made of a resist pattern having a diameter of 5 μm and a diameter of 5 μm larger than that of the previously formed circular tungsten oxide pattern 51 is formed on the outer peripheral portion of each tungsten oxide pattern 51 on the glass substrate 50 using photolithography technology. .
After depositing a platinum film having a thickness of 20 nm using a well-known vacuum deposition method, an unnecessary resist pattern and platinum film are removed by a lift-off method to form a palladium pattern 52, whereby a catalyst film / metal oxide is formed. The hydrogen detection element 53 in which the two-layer structure region, the catalyst film single film region, and the region where the glass substrate surface is exposed is mixed is completed.
It was confirmed that this element 53 also showed good hydrogen sensitivity as in the above example. An example in which a hydrogen detection device is constructed using this element will be described later in <Example 7>.

<実施例6>
図6は、ガラス基板上に形成した金属酸化物が微細な結晶粒からなり、その上面全面に触媒膜が被着・形成された構造を有する他の水素検出素子の実施例である。
ガラス基板60上に、サイズが0.1〜5μmである酸化タングステン結晶粒を堆積させて、微小な凹凸と結晶粒間に空間を有する酸化タングステン層61を形成する。この形成方法として、例えば酸化タングステン結晶粒を含んだ有機溶媒を塗布した後、窒素雰囲気中において400℃程度のアニール処理を施す方法がある。
次に周知の真空蒸着法を用いて膜厚20nmのパラジウム膜62を基板全面に被着することにより、金属酸化物である酸化タングステンが微細な結晶粒からなる触媒膜/金属酸化物2層構造の水素検出素子63が完成する。
本発明の水素検出素子63では、水素感応領域である触媒膜/金属酸化物2層構造領域が極めて広い面積を有するため、同一サイズの透明基板上に作製した通常の平面的な水素検出素子に比べて、検知感度及び応答速度が著しく向上する。
<Example 6>
FIG. 6 shows an example of another hydrogen detection element having a structure in which a metal oxide formed on a glass substrate is made of fine crystal grains and a catalyst film is deposited and formed on the entire upper surface thereof.
Tungsten oxide crystal grains having a size of 0.1 to 5 μm are deposited on the glass substrate 60 to form a tungsten oxide layer 61 having minute irregularities and a space between the crystal grains. As this formation method, for example, after applying an organic solvent containing tungsten oxide crystal grains, there is a method of performing an annealing process at about 400 ° C. in a nitrogen atmosphere.
Next, a palladium film 62 having a thickness of 20 nm is deposited on the entire surface of the substrate using a well-known vacuum deposition method, whereby a catalyst film / metal oxide bilayer structure in which tungsten oxide, which is a metal oxide, consists of fine crystal grains. The hydrogen detection element 63 is completed.
In the hydrogen detection element 63 of the present invention, the catalyst film / metal oxide two-layer structure region, which is a hydrogen sensitive region, has an extremely large area, so that the normal hydrogen detection element manufactured on the same size transparent substrate is used. In comparison, the detection sensitivity and response speed are significantly improved.

完成した水素検出素子63に対して、波長1.2μmの光を表面側から基板に向けて照射しながら水素曝露実験(水素含有空気の水素濃度は0.5%)を行い、この時の透過光量、及び反射光量の変化を観測した結果、水素含有空気に晒した直後から透過光並びに反射光が急激に減衰していくことを確認した。約5秒後には曝露前における透過光量の1/3、反射光量の1/4にまでそれぞれ減衰して光量が安定することを確認した。さらに通常空気に戻すと、各光量は急激に回復しはじめ、通常空気暴露後20秒で、元の値にまで回復した。
上記実施例6では金属酸化物層を、酸化タングステン結晶粒を含んだ有機溶媒の塗布とアニール処理によって形成しているが、この他CVD法、スパッタ法等、如何なる方法を用いて結晶粒による層を形成しても良いことは言うまでもない。また、この他酸化モリブデン結晶粒、酸化バナジウム結晶粒による金属酸化物層を用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
A hydrogen exposure experiment (hydrogen concentration of hydrogen-containing air is 0.5%) was performed while irradiating the completed hydrogen detection element 63 with light having a wavelength of 1.2 μm toward the substrate from the surface side. As a result of observing the change in the amount of reflected light, it was confirmed that the transmitted light and the reflected light rapidly attenuated immediately after exposure to hydrogen-containing air. After about 5 seconds, it was confirmed that the light quantity was stabilized by attenuation to 1/3 of the transmitted light quantity before exposure and 1/4 of the reflected light quantity. Furthermore, when it was returned to normal air, each light quantity began to recover rapidly, and returned to its original value 20 seconds after exposure to normal air.
In Example 6 described above, the metal oxide layer is formed by applying an organic solvent containing tungsten oxide crystal grains and annealing treatment. In addition, any other method such as a CVD method or a sputtering method may be used. Needless to say, it may be formed. Further, it goes without saying that the same effect can be obtained by using a metal oxide layer made of molybdenum oxide crystal grains and vanadium oxide crystal grains.

以上の水素検出素子に関する実施例では、透明基板にガラス基板を用いた場合について述べたが、プラスチック等の他の透明な材料からなる基板を用いても良いことは言うまでもない。
また、以上の実施例で作製した様々な形状の水素検出素子において、それぞれ酸化タングステン、酸化バナジウム、酸化モリブデンを用いて作製した例について述べているが、各形状とも上記実施例で記載した固有の金属酸化物以外に、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化バナジウムのうちから選択された金属酸化物であればどれを用いても良く、触媒膜についてもパラジウム、プラチナから選ばれたものであればどれを用いても良い。
In the above embodiments relating to the hydrogen detection element, the case where a glass substrate is used as the transparent substrate has been described, but it goes without saying that a substrate made of another transparent material such as plastic may be used.
In addition, in the hydrogen detection elements of various shapes manufactured in the above embodiments, examples of using tungsten oxide, vanadium oxide, and molybdenum oxide are described, but each shape has its own characteristics described in the above embodiments. In addition to the metal oxide, any metal oxide selected from tungsten oxide, molybdenum oxide, and vanadium oxide may be used, and any catalyst film selected from palladium or platinum may be used. It may be used.

<実施例7>
次に上記本発明の水素検出素子53を、光ファイバを使った一般的なリモートセンシングの一種であるOTDR(optical timed omain reflectometer)法を応用して構成した水素検出装置に適用した実施例を図7に示す。
OTDRは、一般に光ファイバケーブルの破断点の特定や、後方散乱光を検出することでファイバ内の接続ロスの損失分布を測定できることが知られており、光通信ケーブルの保守等の分野で広く使われている。
<Example 7>
Next, an embodiment in which the hydrogen detection element 53 of the present invention is applied to a hydrogen detection apparatus configured by applying an OTDR (optical timedomain reflectometer) method which is a kind of general remote sensing using an optical fiber is shown in FIG. 7 shows.
OTDR is generally known to be able to measure the loss distribution of connection loss in a fiber by detecting the break point of an optical fiber cable and detecting backscattered light, and is widely used in the field of maintenance of optical communication cables. It has been broken.

本発明の水素検出素子53を搭載した水素検出装置では、本発明の水素検出素子53を搭載した複数の接続コネクタを用いて何本もの光ファイバと光ファイバを接続して、複数の光ファイバと複数の接続コネクタを用いた一本の光信号伝搬路を構成する。そしてこれを、例えば水素流路領域に適切に敷設することにより、各接続コネクタに搭載された水素検出素子によって、水素を各コネクタごとに個別に検知できるため、例えば水素流路から水素漏洩があった場合、水素漏洩個所の特定が可能となるものである。   In the hydrogen detection apparatus equipped with the hydrogen detection element 53 of the present invention, a plurality of optical fibers and optical fibers are connected using a plurality of connection connectors equipped with the hydrogen detection element 53 of the present invention. One optical signal propagation path using a plurality of connection connectors is configured. For example, by appropriately laying this in the hydrogen flow path region, hydrogen can be individually detected for each connector by the hydrogen detection element mounted on each connection connector. In this case, the location of hydrogen leakage can be identified.

図7を用いて、本発明の水素検出装置の動作原理について説明する。
タイミング発生器70からの信号で制御されるパルス電流により半導体レーザ71を駆動させ、半導体レーザから一定のパルス幅でパルス光を発生させる。
このパルス光は結合器72を通ってOTDRの入出力コネクタ73に接続されている光ファイバ74Aへ出射される。
光ファイバ74A内に入射された光パルスは、光ファイバ74Aを通って前方へ伝搬される。
伝搬された光パルスは、光ファイバ74Aと光ファイバ74Bとを接続する役割を担うと共に、本発明の水素検出素子53を搭載し、かつ外気を水素検出素子53に接触させることを目的とした空気孔が、外周部に設けられている水素検出素子搭載型接続コネクタ75に到達する。
該水素検出素子搭載型接続コネクタ75は、上記実施例6に記載した水素検出素子53を搭載していることから、光ファイバ74Aを通ってきた光パルスを反射してOTDR内へ戻すと共に、水素検出素子53を透過した光パルスの一部を、前方の光ファイバ74Bへ伝搬することが出来る。
The principle of operation of the hydrogen detector of the present invention will be described with reference to FIG.
The semiconductor laser 71 is driven by a pulse current controlled by a signal from the timing generator 70, and pulsed light is generated from the semiconductor laser with a constant pulse width.
This pulsed light is emitted through the coupler 72 to the optical fiber 74A connected to the input / output connector 73 of the OTDR.
The light pulse incident on the optical fiber 74A is propagated forward through the optical fiber 74A.
The propagating light pulse plays a role of connecting the optical fiber 74A and the optical fiber 74B, is equipped with the hydrogen detection element 53 of the present invention, and is intended to bring outside air into contact with the hydrogen detection element 53. The hole reaches the hydrogen detecting element mounting connector 75 provided on the outer peripheral portion.
Since the hydrogen detection element mounting connector 75 is mounted with the hydrogen detection element 53 described in the sixth embodiment, the optical pulse that has passed through the optical fiber 74A is reflected and returned to the OTDR. A part of the light pulse transmitted through the detection element 53 can be propagated to the front optical fiber 74B.

さらにその前方においても、上記水素検出素子搭載型接続コネクタと光ファイバを交互に接続していくことにより、さらに検知領域の拡大を図ることが出来る。
光ファイバ内に入射された光パルスがOTDRへ戻ってくるまでの時間は、反射点までの距離に比例しており、戻ってきた光は結合器72を通って光検出器へ入射され、電気信号に変換される。
この信号を増幅器76によって増幅した後、アナログデジタル変換器77でデジタル信号に変換して光強度を表示するものである。
Furthermore, the detection area can be further expanded by alternately connecting the hydrogen detection element mounting connector and the optical fiber in front of the connector.
The time until the light pulse incident on the optical fiber returns to the OTDR is proportional to the distance to the reflection point, and the returned light is incident on the photodetector through the coupler 72 to be electrically Converted to a signal.
This signal is amplified by an amplifier 76 and then converted to a digital signal by an analog-digital converter 77 to display the light intensity.

本実施例で作製した水素検出装置を用いて、上記光ファイバと上記水素検出素子搭載型接続コネクタによって構成された光信号伝搬路を、例えば石油化学プラントや水素を扱う機器、または水素を燃料とする自動車等の装置等の、水素含有ガス及び水素ガスの流路にあたる場所に適切に敷設することによって、水素漏洩を安全かつ速やかに検知できる上、漏洩個所の特定も極めて容易に行うことが可能となる。   Using the hydrogen detection device produced in this example, an optical signal propagation path constituted by the optical fiber and the hydrogen detection element mounting connector, for example, a petrochemical plant or a device that handles hydrogen, or hydrogen as fuel By properly laying the unit in the hydrogen gas and hydrogen gas flow paths, such as in automobiles, the hydrogen leak can be detected safely and quickly, and the location of the leak can be identified very easily. It becomes.

<実施例8>
次に上記本発明の水素検出素子22を、光ファイバを使った他の水素検出装置に適用した実施例を図8に示す。図8は透過型の例である。
離れた場所にある光源の光は、光ファイバ80Aで水素の流路内に導入され、光ファイバ80Aから出射された光は、光学レンズ81により平行な光束に変換された後、水素流路内に設けられた本発明の水素検出素子22に投射される。水素検出素子22を透過した光は、集光レンズ82を介して光ファイバ80Bに入射され、光ファイバ80Bを通って離れた場所にある光検出器83に入射される構成となっている。
上記本発明の水素検出素子22は、透明基板であるガラス基板の表面側のみにパラジウムパターンが形成された形となっているが、パラジウムパターンを裏面側にも形成することによって水素検知部が2倍になるため、さらなる高感度化を図ることができる。
<Example 8>
Next, FIG. 8 shows an embodiment in which the hydrogen detection element 22 of the present invention is applied to another hydrogen detection apparatus using an optical fiber. FIG. 8 shows an example of a transmission type.
The light from the light source at a distant place is introduced into the hydrogen flow path by the optical fiber 80A, and the light emitted from the optical fiber 80A is converted into a parallel light beam by the optical lens 81 and then into the hydrogen flow path. Is projected onto the hydrogen detection element 22 of the present invention provided in The light that has passed through the hydrogen detection element 22 is incident on the optical fiber 80B through the condenser lens 82, and is incident on the photodetector 83 at a location away through the optical fiber 80B.
The hydrogen detection element 22 of the present invention has a shape in which a palladium pattern is formed only on the front surface side of a glass substrate that is a transparent substrate. Since it is doubled, the sensitivity can be further increased.

<実施例9>
次に上記本発明の水素検出素子13を、光ファイバを使った他の水素検出装置に適用した実施例を図9に示す。図9は反射型の例である。
水素検出素子13は裏面側が光ファイバ90の出射端に直接接続されており、該出射端は水素の流路内に導入されている。水素検出装置本体94内にある半導体レーザ91から出射された光は、結合器92を通って入出力コネクタ93に接続された光ファイバ90に出射され、光ファイバ90の出射端に接続された水素検出素子13に到達する。光は該水素検出素子13の表面に設けられたパラジウム面を反射面として反射され、再度光ファイバ90内に導入される。戻ってきた光は、結合器92を通って光検出器94に入射される構成となっている。
<Example 9>
Next, FIG. 9 shows an embodiment in which the hydrogen detection element 13 of the present invention is applied to another hydrogen detection apparatus using an optical fiber. FIG. 9 shows an example of a reflection type.
The back side of the hydrogen detection element 13 is directly connected to the exit end of the optical fiber 90, and the exit end is introduced into the hydrogen flow path. The light emitted from the semiconductor laser 91 in the hydrogen detector main body 94 is emitted to the optical fiber 90 connected to the input / output connector 93 through the coupler 92, and hydrogen connected to the emission end of the optical fiber 90. The detection element 13 is reached. The light is reflected with the palladium surface provided on the surface of the hydrogen detection element 13 as a reflection surface, and is introduced into the optical fiber 90 again. The returned light is incident on the photodetector 94 through the coupler 92.

本実施例で作製した水素検出装置は、1本の光ファイバによって水素検知信号のやりとりが行えるため、携帯型の水素検出装置を容易に作製できる。
また、上記水素検出装置において、図9(b)に示すように光ファイバの出射端に設けた水素検出素子とは1〜3mm程度の空間を持たせた形で光を反射する反射鏡を備えることにより、さらに反射光強度を高めることができるので、微小な反射光の変化を迅速に検知することが可能となり水素検知性能が向上する。
なお、本発明は、石油化学プラントや水素を扱う機器、または水素を燃料とする自動車等の装置において、水素漏洩による爆発事故等を防止する水素漏洩検知器や検知システム等に利用できる。
Since the hydrogen detection device manufactured in this example can exchange a hydrogen detection signal with one optical fiber, a portable hydrogen detection device can be easily manufactured.
Further, in the hydrogen detection device, as shown in FIG. 9B, the hydrogen detection element provided at the emission end of the optical fiber includes a reflecting mirror that reflects light in a form having a space of about 1 to 3 mm. As a result, the reflected light intensity can be further increased, so that a minute change in the reflected light can be detected quickly, and the hydrogen detection performance is improved.
The present invention can be used for a hydrogen leak detector, a detection system, or the like that prevents an explosion accident due to hydrogen leak in a petrochemical plant, a device that handles hydrogen, or an apparatus such as an automobile that uses hydrogen as fuel.

なお、本願図面中の符号の説明は以下の通りである。   In addition, the description of the code | symbol in this-application drawing is as follows.

10…ガラス基板、11…酸化タングステン膜、12…パラジウムパターン、13…水素検出素子、20…ガラス基板、21…パラジウムパターン、22…水素検出素子、
30…ガラス基板、31…酸化バナジウムパターン、32…プラチナ膜、33…水素検出素子、40…ガラス基板、41…酸化タングステン膜、 42…酸化タングステンパターン、 43…パラジウム膜、44…水素検出素子、50…ガラス基板、51…酸化タングステンパターン、52…プラチナパターン、53…水素検出素子、60…ガラス基板、61…酸化タングステン層、62…パラジウム膜、63…水素検出素子、70…タイミング発生器、71…半導体レーザ、72…結合器、73…入出力コネクタ、74A、74B…光ファイバ、75…水素検出素子搭載型接続コネクタ、76…増幅器、 77…アナログデジタル変換器 、80A、80B…光ファイバ、81…光学レンズ、82…集光レンズ、83…光検出器、90…光ファイバ、91…半導体レーザ、92…結合器、93…入出力コネクタ、94…光検出器、95…水素検出装置本体。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Glass substrate, 11 ... Tungsten oxide film, 12 ... Palladium pattern, 13 ... Hydrogen detection element, 20 ... Glass substrate, 21 ... Palladium pattern, 22 ... Hydrogen detection element,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Glass substrate, 31 ... Vanadium oxide pattern, 32 ... Platinum film, 33 ... Hydrogen detection element, 40 ... Glass substrate, 41 ... Tungsten oxide film, 42 ... Tungsten oxide pattern, 43 ... Palladium film, 44 ... Hydrogen detection element, DESCRIPTION OF SYMBOLS 50 ... Glass substrate, 51 ... Tungsten oxide pattern, 52 ... Platinum pattern, 53 ... Hydrogen detection element, 60 ... Glass substrate, 61 ... Tungsten oxide layer, 62 ... Palladium film, 63 ... Hydrogen detection element, 70 ... Timing generator, 71 ... Semiconductor laser, 72 ... Coupler, 73 ... Input / output connector, 74A, 74B ... Optical fiber, 75 ... Hydrogen detection element mounting connector, 76 ... Amplifier, 77 ... Analog to digital converter, 80A, 80B ... Optical fiber 81 ... Optical lens, 82 ... Condensing lens, 83 ... Photo detector, 90 ... Optical fiber 91, semiconductor laser, 92 ... coupler, 93 ... input / output connector, 94 ... photodetector, 95 ... hydrogen detector main body.

本発明の第1の実施例を示す図。The figure which shows the 1st Example of this invention. 本発明の第2の実施例を示す図。The figure which shows the 2nd Example of this invention. 本発明の第3に実施例を示す図。The figure which shows the 3rd Example of this invention. 本発明の第4の実施例を示す図。The figure which shows the 4th Example of this invention. 本発明の第5の実施例を示す図。The figure which shows the 5th Example of this invention. 本発明の第6の実施例を示す図。The figure which shows the 6th Example of this invention. 本発明の第7の実施例を示す図。The figure which shows the 7th Example of this invention. 本発明の第8の実施例を示す図。The figure which shows the 8th Example of this invention. 本発明の第9の実施例を示す図。The figure which shows the 9th Example of this invention.

Claims (17)

透明基板上に堆積され、水素との反応によって光学的特性が変化する第1の水素反応膜と、前記第1の水素反応膜上に堆積され、水素を吸蔵・放出する性質を有する第2の水素反応膜とを有し、
前記第1の水素反応膜は、その一部分が前記透明基板に接する複数の結晶粒からなり、前記第2の水素反応膜は、各々の前記結晶粒上に堆積されていることを特徴とする光検知式水素検出素子。
A first hydrogen reaction film deposited on the transparent substrate and having optical characteristics changed by reaction with hydrogen; and a second hydrogen reaction film deposited on the first hydrogen reaction film and having a property of occluding and releasing hydrogen. A hydrogen reaction membrane,
The first hydrogen reaction film comprises a plurality of crystal grains in contact with the transparent substrate, and the second hydrogen reaction film is deposited on each of the crystal grains. Detection type hydrogen detection element.
水素との反応によって光学的特性が変化する第1の水素反応膜と、
水素を吸蔵・放出する性質を有する第2の水素反応膜とが透明基板上に積層されてなり、
前記透明基板の表面に対して照射された光の反射量及び透過量の変化を検出する水素検出素子において、
前記第1又は前記第2の水素反応膜の少なくとも一方の膜が、多角形または円形からなるパターンに加工され、その対角線またはその直径が70μm以下であることを特徴とする光検知式水素検出素子。
A first hydrogen reaction film whose optical properties change by reaction with hydrogen;
A second hydrogen reaction film having a property of occluding and releasing hydrogen is laminated on a transparent substrate;
In the hydrogen detection element that detects a change in the amount of reflection and transmission of light irradiated on the surface of the transparent substrate,
At least one of the first and second hydrogen reaction films is processed into a polygonal or circular pattern, and the diagonal line or the diameter thereof is 70 μm or less. .
前記第1の水素反応膜は、多角形または円形からなるパターンに加工され、
前記第2の水素反応膜は、連続した一葉の膜からなり、前記第1の水素反応膜上又は前記透明基板上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。
The first hydrogen reaction membrane is processed into a polygonal or circular pattern,
2. The photodetection type hydrogen according to claim 1, wherein the second hydrogen reaction film is formed of a continuous single-leaf film and is formed on the first hydrogen reaction film or the transparent substrate. Detection element.
前記第1の水素反応膜は、多角形または円形からなるパターンに加工され、
前記第2の水素反応膜は、前記第1の水素反応膜の上端面及び側面を覆うように形成され、前記第1の水素反応膜と同一形状を有するパターンに加工され、その一部が前記透明基板上に延在するとともに前記加工されたパターンのそれぞれが離隔していることを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。
The first hydrogen reaction membrane is processed into a polygonal or circular pattern,
The second hydrogen reaction film is formed so as to cover an upper end surface and a side surface of the first hydrogen reaction film, and is processed into a pattern having the same shape as the first hydrogen reaction film, and a part thereof is The photodetection type hydrogen detection element according to claim 1, wherein each of the processed patterns extends on a transparent substrate and is spaced apart.
前記透明基板上に形成され、水素との反応によって光学的特性が変化する第1の水素反応膜と、
前記第1の水素反応膜上に形成され、多角形または円形からなるパターンに加工された第1の水素反応膜と、
前記第1の水素反応膜上又は前記透明基板上に形成され、連続した一葉の膜からなる第2の水素反応膜とを有することを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。
A first hydrogen reaction film formed on the transparent substrate, the optical properties of which change by reaction with hydrogen;
A first hydrogen reaction film formed on the first hydrogen reaction film and processed into a polygonal or circular pattern;
2. The photodetection type hydrogen detection element according to claim 1, further comprising a second hydrogen reaction film formed on the first hydrogen reaction film or the transparent substrate and made of a continuous single-leaf film. .
水素を吸蔵・放出する性質を有する第2の水素反応膜が、透明基板上に堆積されてなり、
前記透明基板の表面に対して照射された光の反射量及び透過量の変化を検出する水素検出素子において、
前記第2の水素反応膜は、多角形または円形からなるパターンを有し、その対角線またはその直径が70μm以下であることを特徴とする光検知式水素検出素子。
A second hydrogen reaction film having a property of occluding and releasing hydrogen is deposited on a transparent substrate;
In the hydrogen detection element that detects a change in the amount of reflection and transmission of light irradiated on the surface of the transparent substrate,
The second hydrogen reaction film has a polygonal or circular pattern, and its diagonal line or its diameter is 70 μm or less.
前記第1の水素反応膜及び上記第2の水素反応膜は、前記透明基板の裏面側にも形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。   2. The photodetection type hydrogen detection element according to claim 1, wherein the first hydrogen reaction film and the second hydrogen reaction film are also formed on a back surface side of the transparent substrate. 前記第1の水素反応膜は、金属酸化物からなることを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。   The photodetection type hydrogen detection element according to claim 1, wherein the first hydrogen reaction film is made of a metal oxide. 前記第1の水素反応膜は、タングステン(W)を主成分とする酸化物からなることを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。   2. The photodetection type hydrogen detection element according to claim 1, wherein the first hydrogen reaction film is made of an oxide containing tungsten (W) as a main component. 前記第1の水素反応膜は、モリブデン(Mo)を主成分とする酸化物からなることを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。   2. The photodetection type hydrogen detection element according to claim 1, wherein the first hydrogen reaction film is made of an oxide containing molybdenum (Mo) as a main component. 前記第1の水素反応膜は、バナジウム(V)を主成分とする酸化物からなることを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。   2. The photodetection type hydrogen detection element according to claim 1, wherein the first hydrogen reaction film is made of an oxide containing vanadium (V) as a main component. 前記第2の水素反応膜は、触媒金属からなることを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。   The photodetection type hydrogen detection element according to claim 1, wherein the second hydrogen reaction film is made of a catalyst metal. 前記第2の水素反応膜は、パラジウム(Pd)、もしくはパラジウムを主成分とする合金からなることを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。   2. The photodetection type hydrogen detection element according to claim 1, wherein the second hydrogen reaction film is made of palladium (Pd) or an alloy containing palladium as a main component. 前記第2の水素反応膜は、プラチナ(Pt)、もしくはプラチナを主成分とする合金からなることを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。   2. The photodetection type hydrogen detection element according to claim 1, wherein the second hydrogen reaction film is made of platinum (Pt) or an alloy containing platinum as a main component. 上記第2の水素反応材料は、上記第1の水素反応材料からなる凸型の形状からなる領域を含めた上記透明基板上において膜状に存在することを特徴とする請求項1に記載の光検知式水素検出素子。   2. The light according to claim 1, wherein the second hydrogen reaction material is present in a film shape on the transparent substrate including a region having a convex shape made of the first hydrogen reaction material. Detection type hydrogen detection element. 光ファイバを備えた水素検出装置において、光ファイバの光出射端に請求項1に記載の光検知式水素検出素子が接続されていることを特徴とする水素検出装置。   A hydrogen detection apparatus comprising an optical fiber, wherein the light detection type hydrogen detection element according to claim 1 is connected to a light emitting end of the optical fiber. 複数の光ファイバを備えた水素検出装置において、請求項1に記載の光検知式水素検出素子は、該素子の表裏面を光が通過するように光ファイバ間に設けられていることを特徴とする水素検出装置。
In the hydrogen detection apparatus including a plurality of optical fibers, the light detection type hydrogen detection element according to claim 1 is provided between the optical fibers so that light passes through the front and back surfaces of the element. To detect hydrogen.
JP2004042457A 2004-02-19 2004-02-19 Optical detection type hydrogen detection element and hydrogen detection device Pending JP2005233740A (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004042457A JP2005233740A (en) 2004-02-19 2004-02-19 Optical detection type hydrogen detection element and hydrogen detection device
US10/914,271 US20050186117A1 (en) 2004-02-19 2004-08-10 Gas detecting method and gas sensors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004042457A JP2005233740A (en) 2004-02-19 2004-02-19 Optical detection type hydrogen detection element and hydrogen detection device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005233740A true JP2005233740A (en) 2005-09-02

Family

ID=35016865

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004042457A Pending JP2005233740A (en) 2004-02-19 2004-02-19 Optical detection type hydrogen detection element and hydrogen detection device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005233740A (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007225299A (en) * 2006-02-21 2007-09-06 Japan Atomic Energy Agency Hydrogen detecting material and its manufacturing method
WO2007116919A1 (en) * 2006-04-04 2007-10-18 Japan Atomic Energy Agency Hydrogen gas detecting material and method for coating same
US7364929B2 (en) 2006-03-22 2008-04-29 Opnext Japan, Inc. Nitride semiconductor based light-emitting device and manufacturing method thereof
KR101163876B1 (en) * 2010-04-28 2012-07-09 경북대학교 산학협력단 Volatile organic compounds gas sensing apparatus and volatile organic compounds gas sensing method using the same
WO2013108087A1 (en) * 2012-01-18 2013-07-25 Jawaharlal Nehru Centre For Advanced Scientific Research A system and a method to detect hydrogen leakage using nano-crystallised palladium gratings
KR20160023191A (en) * 2014-08-21 2016-03-03 현대자동차주식회사 hydrogen sensor and method for manufacturing the same
WO2019031383A1 (en) * 2017-08-08 2019-02-14 日東電工株式会社 Gas detection element
JP2019032312A (en) * 2017-08-08 2019-02-28 日東電工株式会社 Gas detection element

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007225299A (en) * 2006-02-21 2007-09-06 Japan Atomic Energy Agency Hydrogen detecting material and its manufacturing method
JP4639344B2 (en) * 2006-02-21 2011-02-23 独立行政法人 日本原子力研究開発機構 Hydrogen detection material and manufacturing method thereof
US7364929B2 (en) 2006-03-22 2008-04-29 Opnext Japan, Inc. Nitride semiconductor based light-emitting device and manufacturing method thereof
WO2007116919A1 (en) * 2006-04-04 2007-10-18 Japan Atomic Energy Agency Hydrogen gas detecting material and method for coating same
JP2007278744A (en) * 2006-04-04 2007-10-25 Japan Atomic Energy Agency Hydrogen gas detection material and coating method therefor
US8052898B2 (en) 2006-04-04 2011-11-08 Japan Atomic Energy Agency Hydrogen gas detecting material and the coating method
KR101163876B1 (en) * 2010-04-28 2012-07-09 경북대학교 산학협력단 Volatile organic compounds gas sensing apparatus and volatile organic compounds gas sensing method using the same
WO2013108087A1 (en) * 2012-01-18 2013-07-25 Jawaharlal Nehru Centre For Advanced Scientific Research A system and a method to detect hydrogen leakage using nano-crystallised palladium gratings
KR20160023191A (en) * 2014-08-21 2016-03-03 현대자동차주식회사 hydrogen sensor and method for manufacturing the same
KR101683977B1 (en) * 2014-08-21 2016-12-20 현대자동차주식회사 hydrogen sensor and method for manufacturing the same
US9823229B2 (en) 2014-08-21 2017-11-21 Hyundai Motor Company Hydrogen sensor and method for manufacturing the same
US10184926B2 (en) 2014-08-21 2019-01-22 Hyundai Motor Company Hydrogen sensor and method for manufacturing the same
WO2019031383A1 (en) * 2017-08-08 2019-02-14 日東電工株式会社 Gas detection element
JP2019032312A (en) * 2017-08-08 2019-02-28 日東電工株式会社 Gas detection element
JP7017994B2 (en) 2017-08-08 2022-02-09 日東電工株式会社 Gas detection element
US11530992B2 (en) 2017-08-08 2022-12-20 Nitto Denko Corporation Gas detection element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7852480B2 (en) Hydrogen gas detection device
US8675200B2 (en) Hydrogen detecting surface plasmon resonator, surface plasmon resonance optical hydrogen detector and method for optically detecting hydrogen using surface plasmon resonance
JP4597251B1 (en) Optical fiber sensor device and sensing method using optical fiber
Silva et al. H 2 sensing based on a Pd-coated tapered-FBG fabricated by DUV femtosecond laser technique
US20050186117A1 (en) Gas detecting method and gas sensors
JP6344789B2 (en) Hydrogen sensor and detection device using the same
EP3183570A1 (en) Hydrogen sensor having a protection layer
KR101332974B1 (en) Hydrogen sensor and hydrogen gas detector
JP2005233740A (en) Optical detection type hydrogen detection element and hydrogen detection device
JP2010223817A (en) Ethanol sensor and ethanol measurement system using the same
JP4524363B2 (en) Optical fiber hydrogen sensor enabling hydrogen distribution measurement and measurement method using the same
WO2014171372A1 (en) Gas detection device, gas detection method, and optical component
JP4164574B2 (en) Hydrogen sensor, hydrogen detection method and detection apparatus using optical reflectivity change
JP2009053045A (en) Optical fiber hydrogen sensor and hydrogen detection system using the same
JP2000506974A (en) Optical fiber type sensing device
JP2007279025A (en) Attenuated total reflection type optical probe, and aqueous solution spectrometric measuring device using the same
JP2011179916A (en) Leakage monitor device
JP2005265590A (en) Hydrogen sensor and its use
EP0927882A1 (en) Optical apparatus for in situ detection of trace hydrogen gas in a cryogenic temperature environment
JP2005326269A (en) Gas detecting method and gas detector
Perrotton et al. Review of optical fiber sensor technologies for hydrogen leak detection in hydrogen energy storage
Arasu et al. Highly sensitive plastic optical fiber with palladium sensing layer for detection of hydrogen gas
Courbat et al. Colorimetric gas sensors based on optical waveguides made on plastic foil
KR101159809B1 (en) hydrogen sensor using optical waveguide
JP3016168B2 (en) Optical liquid level detector

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20050719

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20050719

A621 Written request for application examination

Effective date: 20060914

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20060914

A977 Report on retrieval

Effective date: 20080219

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

A131 Notification of reasons for refusal

Effective date: 20080226

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20080722