JP2009229369A - Hydrogen gas sensing element - Google Patents

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Kunihiro Inoue
久仁浩 井上
Shinji Okazaki
慎司 岡崎
Kimio Oshima
公夫 大島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable safe sensing of the presence of a hydrogen gas. <P>SOLUTION: A hydrogen gas sensing element 101 is configured so that an interdigital electrode 112, which is a part of a circuit element of an equivalent circuit having a predetermined impedance, is coated by tungsten oxide that supports a noble metal catalyst having hydrogen dissociation power, and the impedance in the equivalent circuit changes with changes in the conductivity of the tungsten oxide which is changed by the dissociation and absorption of hydrogen atoms. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素ガス検知素子に関し、水素解離能を有した貴金属触媒を担持した金属酸化物を備えることにより、常温下で、水素を検知することができるようにした水素ガス検知素子に関する。   The present invention relates to a hydrogen gas detection element, and more particularly to a hydrogen gas detection element that can detect hydrogen at room temperature by including a metal oxide supporting a noble metal catalyst having hydrogen dissociation ability.

水素は、二酸化炭素をはじめとする温暖化ガスを排出しないクリーンなエネルギー源として近年脚光を浴びているが、爆発危険性を有する物質であり、その利用にあっては信頼性のある漏洩検知が必要となる。   In recent years, hydrogen has been in the limelight as a clean energy source that does not emit carbon dioxide and other greenhouse gases. Necessary.

ところで酸化タングステンは、還元反応によりタングステンブロンズを形成し、電気的又は光学的特性が大きく変化することから、水素感応材料として用いられている。   By the way, tungsten oxide is used as a hydrogen-sensitive material because tungsten bronze is formed by a reduction reaction and the electrical or optical characteristics change greatly.

酸化タングステンは、例えば、式(1)に示すように、電気化学的還元に伴うプロトンやアルカリ金属イオンの注入により、タングステンブロンズが生成される。式(1)中、Aは、水素(H)、リチウム(Li)、又はナトリウム(Na)等の元素を表し、xは、0<x<1の範囲の数値である。
WO+xA+xe ⇔ AxWO3 ・・・(1)
As for tungsten oxide, for example, as shown in the formula (1), tungsten bronze is generated by implantation of protons and alkali metal ions accompanying electrochemical reduction. In formula (1), A represents an element such as hydrogen (H), lithium (Li), or sodium (Na), and x is a numerical value in the range of 0 <x <1.
WO 3 + xA + + xe ⇔ AxWO 3 (1)

また酸化タングステンは、透明に近い薄黄緑色を呈するが、タングステンブロンズは、その多くが濃青色を呈する。酸化タングステンの光の吸収は、式(2)に示すように、5価のタングステンと6価のタングステンとの間を遷移する電子による原子価間移動によって行われる。即ち受光によって、W6+が電子を受け取りW5+となり、そこに局在化した電子がカラーセンサーとして光の吸収に寄与するためと考えられる。式(2)中、AとBは、電子の位置を示している。
5+(A)+W6+(B) → W6+(A)+W5+(B)・・・(2)
Tungsten oxide exhibits a light yellow-green color that is almost transparent, but tungsten bronzes exhibit a deep blue color. Absorption of light of tungsten oxide is performed by valence transfer by electrons that transition between pentavalent tungsten and hexavalent tungsten, as shown in Formula (2). That is, it is considered that W 6+ receives electrons to become W 5+ by receiving light, and the electrons localized there contribute to light absorption as a color sensor. In the formula (2), A and B indicate the positions of electrons.
W 5+ (A) + W 6+ (B) → W 6+ (A) + W 5+ (B) (2)

なおNaxWO3は、xの値によって呈する色が異なり、x=0.9で黄金色、x=0.6で橙赤色、x=0.3で暗青色となることが知られている。 NaxWO 3 is known to have a different color depending on the value of x, and is golden when x = 0.9, orange-red when x = 0.6, and dark blue when x = 0.3.

例えばこのように酸化タングステンの還元反応が行われるが、これらの反応は、酸化タングステンが、電気化学反応又は光化学反応の助けを借りて常温下で還元されるというものである。   For example, the reduction reaction of tungsten oxide is performed in this way, and these reactions are such that tungsten oxide is reduced at room temperature with the aid of an electrochemical reaction or a photochemical reaction.

即ちこれらの還元反応に基づいて酸化タングステンを水素感応材料として利用する場合、例えば電気的又は光学的構成が別途必要となる。電極間に電圧を印加するための機器が必要となる水素ガスについては、特許文献1に開示されている。   That is, when tungsten oxide is used as a hydrogen-sensitive material based on these reduction reactions, for example, an electrical or optical configuration is separately required. Hydrogen gas that requires a device for applying a voltage between the electrodes is disclosed in Patent Document 1.

そこで、例えば電気的又は光学的構成が不要な、水素の化学的な還元力による還元反応に基づいて酸化タングステンを水素感応材料として用いることも考えられる。   Thus, for example, it is conceivable to use tungsten oxide as a hydrogen-sensitive material based on a reduction reaction based on a chemical reduction power of hydrogen that does not require an electrical or optical configuration.

特開2002−328108号公報JP 2002-328108 A

しかしながら、水素の化学的な還元力による酸化タングステンの還元反応は、通常、高温下でのみ確認されている。   However, the reduction reaction of tungsten oxide by the chemical reducing power of hydrogen is usually confirmed only at high temperatures.

即ち水素の化学的な還元力による還元反応に基づいて酸化タングステンを水素感応材料として用いる場合、素子を加熱する必要があり、例えば引火性ガスである水素ガスの着火源となる等の課題があった。   That is, when tungsten oxide is used as a hydrogen-sensitive material based on a reduction reaction due to the chemical reducing power of hydrogen, it is necessary to heat the element, for example, it becomes a source of ignition of hydrogen gas, which is a flammable gas. there were.

本発明は、このような背景の下に案出されたものであり、常温下における水素の化学的な還元力による酸化タングステンの還元反応を可能とし、安全で、かつ簡単な構成で、水素の存在を検知し得るようにすることを目的とする。   The present invention has been devised under such a background, and enables the reduction reaction of tungsten oxide by the chemical reduction power of hydrogen at room temperature, and it is possible to reduce the hydrogen content with a safe and simple configuration. The purpose is to be able to detect the presence.

本発明の一側面は、所定の電気的特性を有する回路素子と、水素解離能を有した貴金属触媒を担持した金属酸化物とを備える水素ガス検知素子において、前記回路素子の少なくとも一部が、前記金属酸化物によって被覆され、前記金属酸化物の導電性は、前記金属酸化物に水素原子が解離吸着されることにより変化し、前記回路素子の電気的特性は、前記金属酸化物の導電性の変化に応じて変化することを特徴とする水素ガス検知素子である。   One aspect of the present invention is a hydrogen gas detection element comprising a circuit element having predetermined electrical characteristics and a metal oxide supporting a noble metal catalyst having hydrogen dissociation ability, wherein at least a part of the circuit element comprises: Coated with the metal oxide, the conductivity of the metal oxide is changed by dissociative adsorption of hydrogen atoms to the metal oxide, and the electrical characteristics of the circuit element are the conductivity of the metal oxide. It is a hydrogen gas detection element characterized by changing in accordance with the change of.

前記金属酸化物は、水素解離能を有した貴金属触媒を担持した酸化タングステンであり、前記酸化タングステンに解離吸着された水素原子による還元力によりタングステンブロンズが生成されることによって、前記酸化タングステンの導電性が変化するようにすることもできる。   The metal oxide is tungsten oxide supporting a noble metal catalyst having hydrogen dissociation ability, and tungsten bronze is generated by the reducing force of hydrogen atoms dissociated and adsorbed on the tungsten oxide, whereby the conductivity of the tungsten oxide is increased. Sex can also be changed.

前記回路素子は、所定のインピーダンスを有する等価回路で表され、前記インピーダンス又は位相は、前記金属酸化物の導電性の変化に応じて変化するようにすることもできる。   The circuit element may be represented by an equivalent circuit having a predetermined impedance, and the impedance or phase may be changed according to a change in conductivity of the metal oxide.

前記等価回路は、所定の共振周波数を有し、前記等価回路の共振周波数は、前記金属酸化物の導電性の変化に応じた前記インピーダンスの変化に応じて変化するようにすることもできる。   The equivalent circuit may have a predetermined resonance frequency, and the resonance frequency of the equivalent circuit may be changed according to a change in the impedance according to a change in conductivity of the metal oxide.

本発明によれば、常温下において、水素の化学的な還元力による酸化タングステンの還元反応を可能とし、簡易な構成で、水素の存在を検知し得るようにすることができる。   According to the present invention, the reduction reaction of tungsten oxide by the chemical reducing power of hydrogen can be performed at room temperature, and the presence of hydrogen can be detected with a simple configuration.

図1は、本発明を適用した水素ガス検知素子1の外観構成例の上面図であり、図2は、その下面図である。また、図3は、図1のA−A’線による断面図である。   FIG. 1 is a top view of an external configuration example of a hydrogen gas detection element 1 to which the present invention is applied, and FIG. 2 is a bottom view thereof. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 1.

基板11は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルなどの誘電材料を、板状に成形した部材である。   The substrate 11 is a member obtained by forming a dielectric material such as polyethylene, polypropylene, or polyester into a plate shape.

基板11の上面には(図1)、そのほぼ中央の矩形状領域11Aに薄膜電極13が設けられている。またアンテナコイル12が、薄膜電極13の周りに、矩形を5重に巻回した形状をなして配置されている。アンテナコイル12の最外周の端は、上下方向に貫かれたスルーホール14と繋がっており、最内周の端は、薄膜電極13と電気的に接続されている。   On the upper surface of the substrate 11 (FIG. 1), a thin film electrode 13 is provided in a substantially rectangular region 11A. The antenna coil 12 is arranged around the thin film electrode 13 in a shape in which a rectangle is wound five times. The outermost end of the antenna coil 12 is connected to a through hole 14 penetrating in the vertical direction, and the innermost end is electrically connected to the thin film electrode 13.

基板11の下面には(図2)、薄膜電極15が、上面の薄膜電極13に対向する位置に配置されている。またリード線16が、スルーホール14の下面の側から薄膜電極15に向かって延在している。   On the lower surface of the substrate 11 (FIG. 2), the thin film electrode 15 is disposed at a position facing the thin film electrode 13 on the upper surface. The lead wire 16 extends from the lower surface side of the through hole 14 toward the thin film electrode 15.

なおアンテナコイル12、薄膜電極13,15は、約1000Åのチタン(Ti)の下地に白金(Pt)(約3000Å)の膜が積層されて基板11上に形成されている。またアンテナコイル12を構成する矩形間の間隔は、例えば500μm以下となっている。   The antenna coil 12 and the thin film electrodes 13 and 15 are formed on the substrate 11 by laminating a platinum (Pt) (about 3000 Å) film on a base of about 1000 チ タ ン titanium (Ti). The interval between the rectangles constituting the antenna coil 12 is, for example, 500 μm or less.

このように薄膜電極13,15が、基板11の上下両面にそれぞれ配置されていることから、電気的には、コンデンサが形成される。従って、水素ガス検知素子1は、電気的には、LC共振回路と等価となる。   Since the thin film electrodes 13 and 15 are thus arranged on both the upper and lower surfaces of the substrate 11, a capacitor is electrically formed. Therefore, the hydrogen gas detection element 1 is electrically equivalent to an LC resonance circuit.

図4は、水素ガス検知素子1の等価回路を示している。図4に示すように、水素ガス検知素子1は、電気的には、アンテナコイル12、及び基板11と薄膜電極13,15からなるコンデンサ31を並列接続したものとして表現される。   FIG. 4 shows an equivalent circuit of the hydrogen gas detection element 1. As shown in FIG. 4, the hydrogen gas detection element 1 is electrically expressed as an antenna coil 12 and a capacitor 31 including a substrate 11 and thin film electrodes 13 and 15 connected in parallel.

なおコイル及びコンデンサからなる等価回路の共振周波数は、コイルのインダクタンス及びコンデンサの静電容量と、式(3)に示す関係がある。   Note that the resonance frequency of an equivalent circuit composed of a coil and a capacitor has a relationship represented by the equation (3) with the inductance of the coil and the capacitance of the capacitor.

Figure 2009229369
Figure 2009229369

式(3)において、Fは、LC共振回路の共振周波数である。Lは、コイルのインダクタンスである。Cは、コンデンサの静電容量である。   In Expression (3), F is the resonance frequency of the LC resonance circuit. L is the inductance of the coil. C is the capacitance of the capacitor.

図3に戻り基板11の上面は(即ちアンテナコイル12及び薄膜電極13は)、樹脂材21により覆われている。この樹脂材21には、金属酸化物(この例の場合、酸化タングステン)が混入されており、この酸化タングステンには、白金(Pt)又はパラジウム(Pd)といった水素分子を水素原子に解離させる水素解離能を有する貴金属媒体が担持されている。   Returning to FIG. 3, the upper surface of the substrate 11 (that is, the antenna coil 12 and the thin film electrode 13) is covered with a resin material 21. The resin material 21 is mixed with a metal oxide (in this example, tungsten oxide). The tungsten oxide contains hydrogen that dissociates hydrogen molecules such as platinum (Pt) or palladium (Pd) into hydrogen atoms. A noble metal medium having dissociation ability is supported.

なお樹脂材21の成膜は、例えばゾルゲル法のディップコーティングにより行われる。ゾルゲル法とは、例えば金属アルコキシドからなるゾルを、加水分解・重縮合反応により、流動性を失ったゲルとし、このゲルを加熱して酸化物を得る方法である。またディップコーティングとは、金属カチオンを含む溶液を調製し、それに基板を浸し、引き上げた後に乾燥、熱処理することにより薄膜を形成する方法である。   The film formation of the resin material 21 is performed by, for example, sol-gel dip coating. The sol-gel method is a method in which, for example, a sol made of a metal alkoxide is converted into a gel that loses fluidity by hydrolysis and polycondensation reaction, and the gel is heated to obtain an oxide. Dip coating is a method of forming a thin film by preparing a solution containing a metal cation, immersing the substrate in it, pulling it up, and then drying and heat-treating it.

水素解離能を有する貴金属媒体が坦持されている酸化タングステンに水素ガスが接触すると、後述するように、水素の還元力が有効に引き出されることによって反応が促進されるため、常温下において酸化タングステンの還元が行われ、タングステンブロンズが生成される。その結果、樹脂材21が導電化されてアンテナコイル12が短絡するので、水素ガス検知素子1の等価回路のインダクタンスLが変化し、これにより、式(3)に示した、LC共振回路の共振周波数自体が変化する。   When hydrogen gas comes into contact with tungsten oxide carrying a noble metal medium having hydrogen dissociation ability, the reaction is promoted by effectively drawing out the reducing power of hydrogen as described later. Is reduced to produce tungsten bronze. As a result, since the resin material 21 is made conductive and the antenna coil 12 is short-circuited, the inductance L of the equivalent circuit of the hydrogen gas detection element 1 is changed, thereby causing the resonance of the LC resonance circuit shown in Expression (3). The frequency itself changes.

以上のように水素ガス検知素子1は構成されている。即ちこの水素ガス検知素子1は、所定の共振周波数を有するLC共振回路を構成する回路素子の一部であるアンテナコイル12が、水素解離能を有した貴金属触媒を担持した酸化タングステンによって被覆され、酸化タングステンの導電性が、水素原子が解離吸着されることにより変化し、LC共振回路の共振周波数が、酸化タングステンの導電性の変化に応じて変化する構成となっている。   As described above, the hydrogen gas detection element 1 is configured. That is, in this hydrogen gas detection element 1, an antenna coil 12 which is a part of a circuit element constituting an LC resonance circuit having a predetermined resonance frequency is covered with tungsten oxide carrying a noble metal catalyst having hydrogen dissociation ability, The conductivity of tungsten oxide is changed by dissociative adsorption of hydrogen atoms, and the resonance frequency of the LC resonance circuit is changed in accordance with the change in conductivity of tungsten oxide.

図5は、水素ガス検知素子1の利用例を示す図である。   FIG. 5 is a diagram illustrating a usage example of the hydrogen gas detection element 1.

電波発信機51と電波受信機52は、検知対象となる検知空間を挟んで対向するように設置される。水素ガス検知素子1は、その検知空間に置かれるものとする。   The radio wave transmitter 51 and the radio wave receiver 52 are installed so as to face each other with a detection space to be detected interposed therebetween. It is assumed that the hydrogen gas detection element 1 is placed in the detection space.

電波発信機51は、水素ガス検知素子1の共振周波数に相当する周波数の無線信号を検知空間内に向けて発信し、電波受信機52は、検知空間内を通って自らに到達した無線信号の強度を測定する。   The radio wave transmitter 51 transmits a radio signal having a frequency corresponding to the resonance frequency of the hydrogen gas sensing element 1 toward the detection space, and the radio wave receiver 52 transmits the radio signal that has reached itself through the detection space. Measure strength.

検知空間内に水素が存在していない場合、水素ガス検知素子1のLC共振回路が共振して交流電流が誘起されるため、電波受信機52まで到達する無線信号の強度が低下する。一方、検知空間内に水素が存在している場合、水素ガス検知素子1のLC共振回路の共振周波数自体が変化するため共振は起こらず、電波受信機52に到達する無線信号の強度は低下しない。   When hydrogen does not exist in the detection space, the LC resonance circuit of the hydrogen gas detection element 1 resonates and an alternating current is induced, so that the intensity of the radio signal reaching the radio wave receiver 52 is reduced. On the other hand, when hydrogen is present in the detection space, resonance does not occur because the resonance frequency of the LC resonance circuit of the hydrogen gas detection element 1 changes, and the intensity of the radio signal reaching the radio wave receiver 52 does not decrease. .

即ち図5の例では、電波受信機52に到達する無線信号の強度の変化によって、検知空間内における水素の存在の有無を検知することができる。   That is, in the example of FIG. 5, it is possible to detect the presence or absence of hydrogen in the detection space by a change in the intensity of the radio signal reaching the radio wave receiver 52.

このようにして水素ガス検知素子1を利用し、水素の存在の有無を検知することができる。   In this way, the presence or absence of hydrogen can be detected using the hydrogen gas detection element 1.

次に、樹脂材21における酸化タングステンの還元反応について説明する。   Next, the reduction reaction of tungsten oxide in the resin material 21 will be described.

上述したように、酸化タングステンには、白金(Pt)又はパラジウム(Pd)といった水素解離能を有する貴金属媒体が担持されている。   As described above, the tungsten oxide carries a noble metal medium having hydrogen dissociation ability such as platinum (Pt) or palladium (Pd).

白金(Pt)やパラジウム(Pd)といった貴金属触媒は、水素分子を水素原子に解離して吸着する。例えば白金触媒を用いた場合、式(4)に示すように、水素原子の解離吸着が行われる。なお式(4)中、Had-Ptは、白金触媒表面に解離吸着した水素原子を表している。
+2Pt ⇔2Had-Pt・・・(4)
Noble metal catalysts such as platinum (Pt) and palladium (Pd) dissociate and adsorb hydrogen molecules into hydrogen atoms. For example, when a platinum catalyst is used, dissociative adsorption of hydrogen atoms is performed as shown in Formula (4). In formula (4), Had-Pt represents a hydrogen atom dissociated and adsorbed on the platinum catalyst surface.
H 2 + 2Pt ⇔ 2 Had-Pt (4)

また白金触媒上に解離吸着した水素原子(Had-Pt)は、式(5)に示すように、スピルオーバー効果(所謂分子状水素から解離した原子状水素の溢れ出し)によって表面拡散し、酸化タングステンにも到達する。なお式(5)中、Had-WO3は、酸化タングステンに表面拡散した解離吸着した水素原子を表している。
Had-Pt ⇔ Had-WO3・・・(5)
In addition, hydrogen atoms dissociated and adsorbed on the platinum catalyst (Had-Pt) are diffused on the surface by the spillover effect (so-called overflow of atomic hydrogen dissociated from molecular hydrogen) as shown in formula (5), and tungsten oxide. Also reach. In the formula (5), Had-WO 3 represents a dissociated and adsorbed hydrogen atom that is surface diffused in tungsten oxide.
Had-Pt ⇔ Had-WO 3 (5)

そしてこのように水素原子が酸化タングステンに到達すると、水素原子は、分子状水素に比べ高い還元能を有することから、解離吸着した水素原子(Had-WO3)と酸化タングステンの間において、式(6)に示すような反応が起こり、タングステンブロンズが生成される。
WO+ xHad-WO3 ⇔ HxWO3 ・・・(6)
When the hydrogen atom reaches the tungsten oxide in this way, the hydrogen atom has a higher reducing ability than the molecular hydrogen. Therefore, between the dissociated and adsorbed hydrogen atom (Had-WO 3 ) and the tungsten oxide, the formula ( The reaction shown in 6) occurs, and tungsten bronze is produced.
WO 3 + xHad-WO 3 ⇔ H x WO 3 (6)

このようにして樹脂材21に含まれている酸化タングステンは還元される。即ちこの酸化タングステンの還元反応は、所謂電気化学反応及び光化学反応の助けが必要ない、化学的な還元力によるものとなっている。   Thus, the tungsten oxide contained in the resin material 21 is reduced. That is, the reduction reaction of tungsten oxide is based on a chemical reducing power that does not require the help of so-called electrochemical reaction and photochemical reaction.

換言するとこの反応は、酸化過程において、吸着水素(Had)が、式(7)に示すように、最終的にプロトンとなり、放出された電子とともに酸化タングステン中に注入されることによるものとも考えられる。
Had ⇔ H+e・・・(7)
In other words, this reaction is also considered to be due to the fact that the adsorbed hydrogen (Had) finally becomes protons and is injected into tungsten oxide together with the released electrons in the oxidation process, as shown in the equation (7). .
Had ⇔ H + + e (7)

酸化タングステンに注入されたプロトンは、WO中の最近接のO2−イオンと結合し、また酸化タングステンに注入された電子は、中心のW6+イオンに捕獲され、W6+が部分的にW5+まで還元される。その結果として式(8)に示すようにタングステンブロンズ(HWO)が形成される。
WO+xH+xe ⇔ HxWO3 (0<x<1)・・・(8)
Protons injected into tungsten oxide combine with the closest O 2− ions in WO 3 , and electrons injected into tungsten oxide are trapped by central W 6+ ions, and W 6+ is partially W Reduced to 5+ . As a result, tungsten bronze (H x WO 3 ) is formed as shown in equation (8).
WO 3 + xH + + xe ⇔ HxWO 3 (0 <x <1) (8)

この式は、A=Hの場合の式(1)と同じとなる。即ち樹脂材21における化学的な還元力による酸化タングステンの還元反応は、電気化学反応の助けを借りて行われる酸化タングステンの還元反応と同様な形式で行われる。   This expression is the same as Expression (1) when A = H. That is, the reduction reaction of tungsten oxide by the chemical reduction force in the resin material 21 is performed in the same manner as the reduction reaction of tungsten oxide performed with the aid of the electrochemical reaction.

以上のように、水素解離能を有する貴金属触媒を担持して反応系に導入することによって水素のスピルオーバー効果が生じ、酸化タングステンの水素による還元反応が起こる。このスピルオーバー効果による還元反応は、水素の還元力が有効に引き出され、反応が促進されるので、常温下でも起こる。即ち樹脂材21における水素の化学的な還元力による酸化タングステンの還元反応が、常温下で可能となり、その結果常温下での水素検知が可能となる。即ち、水素ガス検知素子1を、安全で、かつ簡単な構成とすることができる。   As described above, by supporting a noble metal catalyst having hydrogen dissociation ability and introducing it into the reaction system, a hydrogen spillover effect occurs, and a reduction reaction of tungsten oxide with hydrogen occurs. This reduction reaction due to the spillover effect occurs even at room temperature because the reducing power of hydrogen is effectively extracted and the reaction is promoted. That is, the reduction reaction of tungsten oxide by the chemical reducing power of hydrogen in the resin material 21 can be performed at room temperature, and as a result, hydrogen can be detected at room temperature. That is, the hydrogen gas detection element 1 can be configured to be safe and simple.

次に、本発明を適用した水素ガス検知素子の水素感応特性について説明する。   Next, the hydrogen sensitivity characteristic of the hydrogen gas detection element to which the present invention is applied will be described.

図6は、水素ガス検知素子の水素感応特性評価のための実験例を示している。   FIG. 6 shows an experimental example for evaluating the hydrogen sensitivity of the hydrogen gas sensing element.

この実験では、水素ガス検知素子101がチャンバー102内に置かれ、チャンバー102に水素ガスが導入され、水素ガス導入前と導入後(即ち水素曝露前と後)の水素ガス検知素子101の電気的特性が測定される。   In this experiment, the hydrogen gas detection element 101 is placed in the chamber 102, hydrogen gas is introduced into the chamber 102, and the electrical properties of the hydrogen gas detection element 101 before and after introduction of hydrogen gas (that is, before and after hydrogen exposure) are introduced. Characteristics are measured.

チャンバー102の蓋部分には水素ガスを導入するためのチューブ131Aと、チャンバー102内のガスを排気するためのチューブ131Bが引き込まれている。この実験では、チューブ131Aから、N:H=90%:10%の水素、及び空気ガスがチャンバー102内に導入される。 A tube 131 </ b> A for introducing hydrogen gas and a tube 131 </ b> B for exhausting the gas in the chamber 102 are drawn into the lid portion of the chamber 102. In this experiment, N 2 : H 2 = 90%: 10% hydrogen and air gas are introduced into the chamber 102 from the tube 131A.

水素ガス検知素子101には、リード121A,121Bが電気的に接続されている。リード121A,121Bは、チャンバー102の蓋部分から引き出されて、図示せぬLCRメータにそれぞれ接続されている。水素ガス検知素子101には、LCRメータにより、リード121を介して所定の周波数(100Hz,200Hz,500Hz,700Hz,1000Hz,2000Hz,5000Hz,7000Hz,10000Hz,20000Hz,50000Hz,70000Hz,100000Hz,200000Hz)の交流電圧が印加され、その周波数毎に、水素ガス検知素子101の後述する回路素子のインピーダンスと位相が測定される。   Leads 121 </ b> A and 121 </ b> B are electrically connected to the hydrogen gas detection element 101. The leads 121A and 121B are pulled out from the lid portion of the chamber 102 and connected to an LCR meter (not shown). The hydrogen gas detection element 101 has a predetermined frequency (100 Hz, 200 Hz, 500 Hz, 700 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz, 5000 Hz, 7000 Hz, 10000 Hz, 20000 Hz, 50000 Hz, 70000 Hz, 100000 Hz, 200000 Hz) via the lead 121 by an LCR meter. An AC voltage is applied, and the impedance and phase of a circuit element (described later) of the hydrogen gas detection element 101 are measured for each frequency.

図7は、水素ガス検知素子101の構成例を示している。水素ガス検知素子101は、石英基板(以下、単に、基板と称する)111、櫛の歯状部分を有する2個の櫛型電極112A及び112B、及び被膜113から構成されている。   FIG. 7 shows a configuration example of the hydrogen gas detection element 101. The hydrogen gas detection element 101 includes a quartz substrate 111 (hereinafter simply referred to as a substrate) 111, two comb-shaped electrodes 112A and 112B having comb-like portions, and a coating 113.

2個の櫛型電極112A及び112B(以下、個々に区別する必要がない場合、単に櫛型電極112と称する。他のものにおいても同様である)は、櫛の歯状部分が一定間隔離れるようにして組み合わされている。櫛型電極112は、金又は白金をスパッタリングすることにより形成されている。   The two comb-shaped electrodes 112A and 112B (hereinafter simply referred to as the comb-shaped electrode 112 if they do not need to be distinguished from each other, the same applies to other ones) so that the comb-like portions are separated by a certain distance. Are combined. The comb electrode 112 is formed by sputtering gold or platinum.

また櫛型電極112には、白金触媒を担持した酸化タングステン(Pt/WO3)である被膜113が、歯状部分を覆うように、ディップコーディングにより形成されている。 The comb electrode 112 is formed with a coating 113 made of tungsten oxide (Pt / WO 3 ) carrying a platinum catalyst by dip coding so as to cover the tooth-like portion.

このように櫛型電極112が、櫛の歯状部分が一定間隔離れるようにして組み合わされ、その部分が被膜113で被覆されているので、歯状部分の間に被膜113の絶縁層が挟まれたコンデンサが形成される。従って水素ガス検知素子101は、電気的には、図8に示すように、抵抗とコンデンサとが並列に接続された回路と等価となる。   In this way, the comb-shaped electrode 112 is combined so that the teeth of the comb are spaced apart from each other, and the portions are covered with the coating 113, so that the insulating layer of the coating 113 is sandwiched between the teeth. A capacitor is formed. Therefore, the hydrogen gas detection element 101 is electrically equivalent to a circuit in which a resistor and a capacitor are connected in parallel as shown in FIG.

この白金触媒が坦持されている酸化タングステンに水素ガスが接触すると、上述したように、常温下において、酸化タングステンからタングステンブロンズが生成され、被膜113が導電化する。その結果、櫛型電極112の歯状部分の間に被膜113の絶縁層が挟まれたコンデンサの静電容量が変化するので、等価回路のインピーダンスが変化する。   When hydrogen gas comes into contact with the tungsten oxide carrying the platinum catalyst, as described above, tungsten bronze is produced from tungsten oxide at normal temperature, and the coating 113 is made conductive. As a result, the capacitance of the capacitor in which the insulating layer of the film 113 is sandwiched between the tooth-shaped portions of the comb-shaped electrode 112 changes, so that the impedance of the equivalent circuit changes.

即ち水素ガス検知素子101は、基本的には水素ガス検知素子1と同様に、所定のインピーダンスを有する等価回路を構成する回路素子の一部である櫛型電極112が、水素解離能を有した貴金属触媒を担持した酸化タングステンによって被覆され、酸化タングステンの導電性が、水素原子が解離吸着されることにより変化し、等価回路のインピーダンスが、酸化タングステンの導電性の変化に応じて変化する構成となっている。   That is, in the hydrogen gas detection element 101, basically, like the hydrogen gas detection element 1, the comb-shaped electrode 112 which is a part of a circuit element constituting an equivalent circuit having a predetermined impedance has hydrogen dissociation ability. Covered with tungsten oxide supporting a noble metal catalyst, the conductivity of tungsten oxide changes due to dissociative adsorption of hydrogen atoms, and the impedance of the equivalent circuit changes according to the change in conductivity of tungsten oxide. It has become.

図9乃至図14には、水素ガス導入と導入後(即ち水素曝露前と後)の水素ガス検知素子101のインピーダンスの絶対値と位相の測定値が示されている。なおここでは、櫛型電極112を、金で形成した場合と白金で形成した場合のそれぞれにおいて測定が行われた。   9 to 14 show the absolute value and phase measurement value of the impedance of the hydrogen gas detection element 101 after the introduction of the hydrogen gas and after the introduction (that is, before and after the hydrogen exposure). Here, the measurement was performed in each of the case where the comb-shaped electrode 112 was formed of gold and the case where it was formed of platinum.

図9乃至図11は、櫛型電極112が金で形成されている場合の測定結果を示している。   9 to 11 show measurement results when the comb-shaped electrode 112 is formed of gold.

図9には、印加された交流電圧の周波数毎に、水素ガス導入前(即ち水素曝露前)のインピーダンスの絶対値と位相の測定結果、並びに水素ガス導入後(即ち水素曝露後)のインピーダンスの絶対値と位相の測定結果が、それぞれ示されている。   FIG. 9 shows the measurement results of the absolute value and phase of the impedance before introducing hydrogen gas (ie, before hydrogen exposure) and the impedance after introduction of hydrogen gas (ie, after hydrogen exposure) for each frequency of the applied AC voltage. The absolute value and phase measurement results are shown respectively.

図10は、図9に示すインピーダンスの測定結果を周波数毎にプロットした図である。図10中、曲線Aは、水素ガス導入前のインピーダンスの測定結果を表し、曲線Bは、水素ガス導入後のインピーダンスの測定結果を表している。図11は、図9に示す位相の測定結果を周波数毎にプロットした図である。図11中、曲線Aは、水素ガス導入前の位相の測定結果を表し、曲線Bは、水素ガス導入後の位相の測定結果を表している。   FIG. 10 is a diagram in which the impedance measurement results shown in FIG. 9 are plotted for each frequency. In FIG. 10, a curve A represents the measurement result of the impedance before introducing hydrogen gas, and a curve B represents the measurement result of the impedance after introduction of hydrogen gas. FIG. 11 is a diagram in which the phase measurement results shown in FIG. 9 are plotted for each frequency. In FIG. 11, a curve A represents the measurement result of the phase before the introduction of hydrogen gas, and a curve B represents the measurement result of the phase after the introduction of hydrogen gas.

図12乃至図14は、櫛型電極112が白金で形成されている場合の測定結果を示している。   12 to 14 show measurement results when the comb-shaped electrode 112 is made of platinum.

図12には、印加された交流電圧の周波数毎に、水素ガス導入前(即ち水素曝露前)のインピーダンスの絶対値と位相の測定結果、並びに水素ガス導入後(即ち水素曝露後)のインピーダンスの絶対値と位相の測定結果が、それぞれ示されている。   FIG. 12 shows the measurement results of the absolute value and phase of the impedance before hydrogen gas introduction (ie before hydrogen exposure) and the impedance after hydrogen gas introduction (ie after hydrogen exposure) for each frequency of the applied AC voltage. The absolute value and phase measurement results are shown respectively.

図13は、図12に示すインピーダンスの測定結果を周波数毎にプロットした図である。図13中、曲線Aは、水素ガス導入前のインピーダンスの測定結果を表し、曲線Bは、水素ガス導入後のインピーダンスの測定結果を表している。図14は、図12に示す位相の測定結果を周波数毎にプロットした図である。図14中、曲線Aは、水素ガス導入前の位相の測定結果を表し、曲線Bは、水素ガス導入後の位相の測定結果を表している。   FIG. 13 is a diagram in which the impedance measurement results shown in FIG. 12 are plotted for each frequency. In FIG. 13, a curve A represents the measurement result of the impedance before introducing hydrogen gas, and a curve B represents the measurement result of the impedance after introduction of hydrogen gas. FIG. 14 is a diagram in which the phase measurement results shown in FIG. 12 are plotted for each frequency. In FIG. 14, a curve A represents the measurement result of the phase before the introduction of hydrogen gas, and a curve B represents the measurement result of the phase after the introduction of hydrogen gas.

以上のように、図9乃至図14において、水素ガス導入前の測定結果を表す曲線Aと、水素ガス導入後の測定結果を表す曲線Bは、大きく離れている。即ち、櫛型電極112が金で形成されている場合及び白金で形成されている場合のいずれの場合においても、広範な周波数領域において、水素曝露によりインピーダンス及び位相が大きく変化している。従って水素解離能を有する貴金属媒体を担持した酸化タングステンによって被覆されている回路素子の電気特性は、水素曝露により大きく変化する。   As described above, in FIGS. 9 to 14, the curve A representing the measurement result before introducing hydrogen gas and the curve B representing the measurement result after introducing hydrogen gas are greatly separated. That is, regardless of whether the comb electrode 112 is made of gold or platinum, the impedance and phase are greatly changed by hydrogen exposure in a wide frequency range. Therefore, the electrical characteristics of the circuit element covered with tungsten oxide carrying a noble metal medium having hydrogen dissociation ability are greatly changed by hydrogen exposure.

図15乃至図22は、水素曝露によるインピーダンス及び位相の経時変化を示している。この例の場合、周波数は200kHzに固定されている。   15 to 22 show changes in impedance and phase over time due to hydrogen exposure. In this example, the frequency is fixed at 200 kHz.

図15は、櫛型電極112が金で形成されている場合における、水素曝露によるインピーダンスの経時変化を示している。図15中矢印は、水素ガスが導入されたタイミングを示している。後述する図16乃至図22に示す矢印についても同様である。   FIG. 15 shows changes with time of impedance due to hydrogen exposure when the comb-shaped electrode 112 is made of gold. The arrows in FIG. 15 indicate the timing when hydrogen gas is introduced. The same applies to the arrows shown in FIGS. 16 to 22 described later.

図16は、図15における0s乃至350sの範囲を拡大したものである。   FIG. 16 is an enlarged view of the range from 0 s to 350 s in FIG.

図17は、櫛型電極112が金で形成されている場合における、水素曝露による位相の経時変化を示している。図18は、図17における0s乃至120sの範囲を拡大したものである。   FIG. 17 shows the phase change with time due to hydrogen exposure when the comb-shaped electrode 112 is made of gold. FIG. 18 is an enlarged view of the range of 0s to 120s in FIG.

図19は、櫛型電極112が白金で形成されている場合における、水素曝露によるインピーダンスの経時変化を示している。図20は、図19における50s乃至150sの範囲を拡大したものである。   FIG. 19 shows changes with time of impedance due to hydrogen exposure when the comb-shaped electrode 112 is made of platinum. FIG. 20 is an enlarged view of the range of 50s to 150s in FIG.

図21は、櫛型電極112が白金で形成されている場合における、水素曝露による位相の経時変化を示している。図22は、図21における60s乃至75sの範囲を拡大したものである。   FIG. 21 shows the phase change with time due to hydrogen exposure when the comb-shaped electrode 112 is made of platinum. FIG. 22 is an enlarged view of the range of 60s to 75s in FIG.

以上のように、櫛型電極112が金で形成されている場合及び白金で形成されている場合においても、水素ガスの導入とほぼ同時に、インピーダンス及び位相の変化が開始される。従って水素解離能を有する貴金属媒体を担持した酸化タングステンによって被覆されている回路素子の電気特性は、水素曝露により迅速に変化する。   As described above, even when the comb-shaped electrode 112 is made of gold or platinum, changes in impedance and phase are started almost simultaneously with the introduction of hydrogen gas. Therefore, the electrical characteristics of the circuit element covered with tungsten oxide carrying a noble metal medium having hydrogen dissociation ability change rapidly by hydrogen exposure.

なお櫛型電極112が金で形成されている場合と白金で形成されている場合との比較においては、白金で形成されている場合の方が、応答速度が速く、下地金属によって応答速度が異なっている。   In comparison between the case where the comb-shaped electrode 112 is made of gold and the case where it is made of platinum, the response speed is faster when it is made of platinum, and the response speed differs depending on the underlying metal. ing.

以上のように、水素原子を解離吸着する貴金属媒体を担持した酸化タングステンによって被覆されている回路素子の電気特性は、水素曝露により大きくかつ迅速に変化するので、水素ガス検知素子101(水素ガス検知素子1も同様)を利用すれば、精度よく、かつ迅速に水素ガスを検知することができる。   As described above, the electrical characteristics of the circuit element covered with the tungsten oxide supporting the noble metal medium that dissociates and adsorbs hydrogen atoms change greatly and rapidly due to hydrogen exposure. Therefore, the hydrogen gas detection element 101 (hydrogen gas detection If the element 1 is also used, hydrogen gas can be detected accurately and quickly.

なお以上においては、酸化タングステンを例として説明したが、他の金属酸化物を利用することもできる。   In the above description, tungsten oxide has been described as an example, but other metal oxides can also be used.

本発明を適用した水素ガス検知素子の構成例を示す上面図である。It is a top view which shows the structural example of the hydrogen gas detection element to which this invention is applied. 本発明を適用した水素ガス検知素子の構成例を示す下面図である。It is a bottom view which shows the structural example of the hydrogen gas detection element to which this invention is applied. 図1に示す水素ガス検知素子の、A−A’線の断面図である。It is sectional drawing of the A-A 'line | wire of the hydrogen gas detection element shown in FIG. 図1に示す水素ガス検知素子の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the hydrogen gas detection element shown in FIG. 図1に示す水素ガス検知素子の利用例を示す図である。It is a figure which shows the usage example of the hydrogen gas detection element shown in FIG. 水素ガス検知素子の水素感応特性評価のための実験例を示す図である。It is a figure which shows the experiment example for the hydrogen sensitive characteristic evaluation of a hydrogen gas detection element. 図6に示す水素ガス検知素子の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the hydrogen gas detection element shown in FIG. 図7に示す水素ガス検知素子の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the hydrogen gas detection element shown in FIG. 図7に示す水素ガス検知素子の櫛型電極が金で形成されている場合のインピーダンスと位相の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of an impedance and a phase in case the comb-shaped electrode of the hydrogen gas detection element shown in FIG. 7 is formed with gold. 図9に示すインピーダンスの測定結果を周波数毎に示した図である。It is the figure which showed the measurement result of the impedance shown in FIG. 9 for every frequency. 図9に示す位相の測定結果を周波数毎に示した図である。It is the figure which showed the measurement result of the phase shown in FIG. 9 for every frequency. 図7に示す水素ガス検知素子の櫛型電極が白金で形成されている場合のインピーダンスと位相の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of an impedance and a phase in case the comb-shaped electrode of the hydrogen gas detection element shown in FIG. 7 is formed with platinum. 図12に示すインピーダンスの測定結果を周波数毎に示した図である。It is the figure which showed the measurement result of the impedance shown in FIG. 12 for every frequency. 図12に示す位相の測定結果を周波数毎に示した図である。It is the figure which showed the measurement result of the phase shown in FIG. 12 for every frequency. 図7に示す水素ガス検知素子の櫛型電極が金で形成されている場合における、水素曝露によるインピーダンスの経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the impedance by hydrogen exposure in case the comb-shaped electrode of the hydrogen gas detection element shown in FIG. 7 is formed with gold. 図15における所定の範囲の拡大図である。FIG. 16 is an enlarged view of a predetermined range in FIG. 15. 図7に示す水素ガス検知素子の櫛型電極が金で形成されている場合における、水素曝露による位相の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the phase by hydrogen exposure in case the comb-shaped electrode of the hydrogen gas detection element shown in FIG. 7 is formed with gold. 図17における所定の範囲の拡大図である。FIG. 18 is an enlarged view of a predetermined range in FIG. 17. 図7に示す水素ガス検知素子の櫛型電極が白金で形成されている場合における、水素曝露によるインピーダンスの経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the impedance by hydrogen exposure in case the comb-shaped electrode of the hydrogen gas detection element shown in FIG. 7 is formed with platinum. 図19における所定の範囲の拡大図である。FIG. 20 is an enlarged view of a predetermined range in FIG. 19. 図7に示す水素ガス検知素子の櫛型電極が白金で形成されている場合における、水素曝露による位相の推移を示す図である。It is a figure which shows transition of the phase by hydrogen exposure in case the comb-shaped electrode of the hydrogen gas detection element shown in FIG. 7 is formed with platinum. 図21における所定の範囲の拡大図である。It is an enlarged view of the predetermined range in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 水素ガス検知素子, 11 基板, 12 アンテナコイル, 13 薄膜電極, 14 スルーホール, 15 薄膜電極, 16 リード線, 21 樹脂材, 51 電波発信機, 52 電波受信機, 101 水素ガス検知素子, 111 基板, 112 櫛型電極, 113 被膜, 121 リード   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen gas detection element, 11 Substrate, 12 Antenna coil, 13 Thin film electrode, 14 Through hole, 15 Thin film electrode, 16 Lead wire, 21 Resin material, 51 Radio wave transmitter, 52 Radio wave receiver, 101 Hydrogen gas detection element, 111 Substrate, 112 comb electrode, 113 coating, 121 lead

Claims (4)

所定の電気的特性を有する回路素子と、
水素解離能を有した貴金属触媒を担持した金属酸化物と
を備える水素ガス検知素子において、
前記回路素子の少なくとも一部が、前記金属酸化物によって被覆され、
前記金属酸化物の導電性は、前記金属酸化物に水素原子が解離吸着されることにより変化し、
前記回路素子の電気的特性は、前記金属酸化物の導電性の変化に応じて変化する
ことを特徴とする水素ガス検知素子。
A circuit element having predetermined electrical characteristics;
In a hydrogen gas sensing element comprising a metal oxide supporting a noble metal catalyst having hydrogen dissociation ability,
At least a portion of the circuit element is coated with the metal oxide;
The conductivity of the metal oxide is changed by dissociative adsorption of hydrogen atoms to the metal oxide,
An electrical characteristic of the circuit element changes according to a change in conductivity of the metal oxide.
前記金属酸化物は、水素解離能を有した貴金属触媒を担持した酸化タングステンであり、
前記酸化タングステンに解離吸着された水素原子による還元力によりタングステンブロンズが生成されることによって、前記酸化タングステンの導電性が変化する
請求項1に記載の水素ガス検知素子。
The metal oxide is tungsten oxide supporting a noble metal catalyst having hydrogen dissociation ability,
The hydrogen gas detection element according to claim 1, wherein the tungsten bronze is generated by the reduction force of the hydrogen atoms dissociated and adsorbed on the tungsten oxide, whereby the conductivity of the tungsten oxide changes.
前記回路素子は、所定のインピーダンスを有する等価回路で表され、
前記インピーダンス又は位相は、前記金属酸化物の導電性の変化に応じて変化する
請求項1に記載の水素ガス検知素子。
The circuit element is represented by an equivalent circuit having a predetermined impedance,
The hydrogen gas detection element according to claim 1, wherein the impedance or phase changes according to a change in conductivity of the metal oxide.
前記等価回路は、所定の共振周波数を有し、
前記等価回路の共振周波数は、前記金属酸化物の導電性の変化に応じた前記インピーダンスの変化に応じて変化する
請求項3に記載の水素ガス検知素子。
The equivalent circuit has a predetermined resonance frequency,
The hydrogen gas detection element according to claim 3, wherein a resonance frequency of the equivalent circuit changes according to a change in the impedance according to a change in conductivity of the metal oxide.
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