JP4026325B2 - 水素ガスセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温環境あるいは放射線環境等の悪環境下における計測手段と並び、特殊なファイバ計測手段として、化学的な現象を利用するファイバセンサがある。この種のファイバセンサの用途としては、ガス濃度、ｐＨ、湿度等の測定が主である。構造上で大別すると、コアあるいはクラッドに化学反応を敏感に起こす物質をドープしたｉｎｔｒｉｎｓｉｃ型のファイバセンサと、ファイバ先端に適切なセンサ要素を設けたｅｘｔｒｉｎｓｉｃ型のファイバセンサとが挙げられる。ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ型のファイバセンサは、クラッドにドープされた物質の光学的な吸収特性が化学反応によって変化することを利用したものであり、ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ型のファイバセンサは、化学反応による反射光の強度変化あるいは、蛍光の変化等を利用したものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光ファイバを利用した前述の水素ガスセンサは、測定子部が非常に細く、折れやすく、こわれやすいので取り扱いが面倒であった。また、湿度が増加することにより水素検出感度が鈍るという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、取り扱いが容易な水素ガスセンサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の水素ガスセンサは、光導波路からなり、分岐側を固定端とし、合流側を自由端とする片持ち梁状の光分岐器と、光分岐器の上部クラッド側に貼り合わされ、水素を吸収すると膨張する膨張薄膜と、光分岐器の合流側の端面に設けられ合流側の光導波路から出射した光を合流側の光導波路に戻す反射鏡と、光分岐器の分岐側の端面の一方の光導波路に接続された発光素子と、光分岐器の分岐側の端面の他方の光導波路に接続された受光素子とを備えたものである。
【０００６】
上記構成に加え本発明の水素ガスセンサの膨張薄膜はパラジウムと、銀又は金とからなるのが好ましい。
【０００７】
上記構成に加え本発明の水素ガスセンサは、光分岐器の下部クラッド側に応力付与母材を設けるのが好ましい。
【０００８】
本発明の水素ガスセンサの測定子は、パラジウム（Ｐｄ）＋（銀（Ａｇ）（又は金（Ａｕ））／クロム（Ｃｒ）／直線偏波型導波路という構造を有している。この測定子に用いられるＣｒは、Ｐｄ＋（Ａｇ又はＡｕ）と直線偏波型導波路との密着性を高めるために数十Å程度の薄さに蒸着される。Ｐｄ＋（Ａｇ又はＡｕ）は、ＰｄにＡｇ又はＡｕを添加し、合金としたものであり、Ａｇ（又はＡｕ）によりＰｄの触媒効果を抑制する。導波路部分には直線偏波保存性を持たせるため、Ｐｄ＋Ａｇ（又はＡｕ）蒸着面の反対側のクラッド部にＢ2Ｏ3をドープしたＳｉＯ2 を用い、クラッド部にＳｉＯ2 を用い、コア部にＧｅＯ2 又はＴｉＯ2 をドープしたＳｉＯ2 を用いる。
【０００９】
また、導波路基板の厚さは、基板の曲げが発生する程度に薄くしなければならないため、〜５００μｍ 程度とする必要がある。
【００１０】
本発明によれば、測定子としての光導波路と膨張薄膜とが貼り合わされた構造を有しているので、裸光ファイバが露出した従来構造に比べて強度が高い。しかも、光導波路と膨張薄膜とが片持ち梁状構造を有しているので、測定子の膨張薄膜にかかるストレスが小さい。また、光導波路の固定端側に発光素子や受光素子を並列に配置することができるので、小型化することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１２】
図１（ａ）は本発明の水素ガスセンサの測定子の一実施の形態を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００１３】
測定子１は、光導波路２からなり、分岐導波路２ａ、２ｂ側（図１（ａ）では左側）を固定端とし、合流導波路２ｃ側（図１（ｂ）では右側）を自由端とする片持ち梁状の光分岐器３と、光分岐器３の上部クラッド４に貼り合わされ、水素を吸収すると膨張する膨張薄膜５と、光分岐器３の合流導波路２ｃ側の端面に設けられ合流導波路２ｃから出射した光を合流導波路２ｃに戻す反射鏡６とで構成されている。
【００１４】
膨張薄膜５は、主成分としてのＰｄと、Ｐｄの水素に対する触媒効果を押さえるためのＡｇ（又はＡｕ）とからなっている。
【００１５】
光導波路２は、ＳｉＯ2からなる下部クラッド７ａ、７ｂと、下部クラッド７ａ、７ｂ上に形成されＧｅＯ2（又はＴｉＯ2）をドープしたＳｉＯ2からなる矩形断面形状のコア８と、ＳｉＯ2からなり下部クラッド７ｂ及びコア８を覆う上部クラッド４とで構成されている。
【００１６】
下部クラッド７ａ、７ｂ内には、Ｂ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる応力付与母材（ＳｉＯ2に比べて熱膨張率が大きい材質）９が設けられている。
【００１７】
上部クラッド４の上には、膨張薄膜５と光導波路２との接着性を高めるためのＣｒ膜１０が形成されている。尚、膨張薄膜５及びＣｒ膜１０は真空蒸着により形成される。
【００１８】
図２は図１に示した測定子に発光素子及び受光素子を接続した水素ガスセンサの平面図である。
【００１９】
図１に示す測定子の分岐側の光導波路２ａ、２ｂのうちの一方（図では上側）の光導波路２ａには発光素子（例えばレーザダイオード、以下「ＬＤ」という。）１１が接続され、測定子の分岐側の光導波路２ａ、２ｂのうちの他方（図では下側）の光導波路２ｂには受光素子（例えばフォトダイオード、以下「ＰＤ」という。）１２が接続されている。
【００２０】
図３は水素導入による測定子の変化を示す説明図であり、図４は図１に示した測定子が水素を吸収した状態を示す断面図である。
【００２１】
図１に示した測定子１に水素を導入する（測定子１を水素雰囲気中に晒す）と、Ｐｄが水素を吸収して膨張薄膜５が膨張するが、光導波路は膨張しないので、測定子はいわばバイメタルのように変形する。その結果、測定子１の自由端が図４に示したように変位する（図３、ステップＳ１）。
【００２２】
このため、応力付与母材９が応力により収縮し、導波路の損失が増加する（図３、ステップＳ２）。
【００２３】
従って、ＰＤ１２の出力電圧が減少するので、この減少を以て水素ガスを検知することができる（図３、ステップＳ２）。
【００２４】
ここで、本発明の水素ガスセンサは、測定子１の微小変位を検出することから、測定子１に微小変位（物理的変位）を及ぼす要因に対する検知であれば、応用範囲は広がる。例えば、Ｐｄ／Ｃｒ／導波路基板構造の測定子１にＰｄ／Ｃｒ等を蒸着しなくても、振動検出等に応用することができる。また測定子１に温度又は湿度により形状変化する物質を用いれば、温度センサあるいは湿度センサに応用できる。
【００２５】
ここで、従来の光ファイバ応用水素ガスセンサは、測定子が裸光ファイバのため、非常に折れやすく、また、湿度による感度低下が懸念されるが、本発明の直線偏波保存型導波路を用いた水素ガスセンサ１は、表面積が大きく、ある程度の厚さを有しているので、従来の水素ガスセンサに比べて丈夫である。また、片持ち梁状構造を有しているため、測定子１にかかるストレスも小さい。さらに、固定端側にＬＤ１１やＰＤ１２を並列配置することができ、コンパクト化することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００２７】
取り扱いが容易な水素ガスセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の水素ガスセンサの測定子の一実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】図１に示した測定子に発光素子及び受光素子を接続した水素ガスセンサの平面図である。
【図３】水素導入による測定子の変化を示す説明図である。
【図４】図１に示した測定子が水素を吸収した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 測定子
２ 光導波路
２ａ、２ｂ 分岐導波路
２ｃ 合流導波路
３ 光分岐器
４ 上部クラッド
５ 膨張薄膜
６ 反射鏡
７ａ、７ｂ 下部クラッド
８ コア
９ 応力付与母材
１０ Ｃｒ膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温環境あるいは放射線環境等の悪環境下における計測手段と並び、特殊なファイバ計測手段として、化学的な現象を利用するファイバセンサがある。この種のファイバセンサの用途としては、ガス濃度、ｐＨ、湿度等の測定が主である。構造上で大別すると、コアあるいはクラッドに化学反応を敏感に起こす物質をドープしたｉｎｔｒｉｎｓｉｃ型のファイバセンサと、ファイバ先端に適切なセンサ要素を設けたｅｘｔｒｉｎｓｉｃ型のファイバセンサとが挙げられる。ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ型のファイバセンサは、クラッドにドープされた物質の光学的な吸収特性が化学反応によって変化することを利用したものであり、ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ型のファイバセンサは、化学反応による反射光の強度変化あるいは、蛍光の変化等を利用したものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光ファイバを利用した前述の水素ガスセンサは、測定子部が非常に細く、折れやすく、こわれやすいので取り扱いが面倒であった。また、湿度が増加することにより水素検出感度が鈍るという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、取り扱いが容易な水素ガスセンサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の水素ガスセンサは、光導波路からなり、分岐側を固定端とし、合流側を自由端とする片持ち梁状の光分岐器と、光分岐器の上部クラッド側に貼り合わされ、水素を吸収すると膨張する膨張薄膜と、光分岐器の合流側の端面に設けられ合流側の光導波路から出射した光を合流側の光導波路に戻す反射鏡と、光分岐器の分岐側の端面の一方の光導波路に接続された発光素子と、光分岐器の分岐側の端面の他方の光導波路に接続された受光素子とを備えたものである。
【０００６】
上記構成に加え本発明の水素ガスセンサの膨張薄膜はパラジウムと、銀又は金とからなるのが好ましい。
【０００７】
上記構成に加え本発明の水素ガスセンサは、光分岐器の下部クラッド側に応力付与母材を設けるのが好ましい。
【０００８】
本発明の水素ガスセンサの測定子は、パラジウム（Ｐｄ）＋（銀（Ａｇ）（又は金（Ａｕ））／クロム（Ｃｒ）／直線偏波型導波路という構造を有している。この測定子に用いられるＣｒは、Ｐｄ＋（Ａｇ又はＡｕ）と直線偏波型導波路との密着性を高めるために数十Å程度の薄さに蒸着される。Ｐｄ＋（Ａｇ又はＡｕ）は、ＰｄにＡｇ又はＡｕを添加し、合金としたものであり、Ａｇ（又はＡｕ）によりＰｄの触媒効果を抑制する。導波路部分には直線偏波保存性を持たせるため、Ｐｄ＋Ａｇ（又はＡｕ）蒸着面の反対側のクラッド部にＢ2Ｏ3をドープしたＳｉＯ2 を用い、クラッド部にＳｉＯ2 を用い、コア部にＧｅＯ2 又はＴｉＯ2 をドープしたＳｉＯ2 を用いる。
【０００９】
また、導波路基板の厚さは、基板の曲げが発生する程度に薄くしなければならないため、〜５００μｍ 程度とする必要がある。
【００１０】
本発明によれば、測定子としての光導波路と膨張薄膜とが貼り合わされた構造を有しているので、裸光ファイバが露出した従来構造に比べて強度が高い。しかも、光導波路と膨張薄膜とが片持ち梁状構造を有しているので、測定子の膨張薄膜にかかるストレスが小さい。また、光導波路の固定端側に発光素子や受光素子を並列に配置することができるので、小型化することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１２】
図１（ａ）は本発明の水素ガスセンサの測定子の一実施の形態を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００１３】
測定子１は、光導波路２からなり、分岐導波路２ａ、２ｂ側（図１（ａ）では左側）を固定端とし、合流導波路２ｃ側（図１（ｂ）では右側）を自由端とする片持ち梁状の光分岐器３と、光分岐器３の上部クラッド４に貼り合わされ、水素を吸収すると膨張する膨張薄膜５と、光分岐器３の合流導波路２ｃ側の端面に設けられ合流導波路２ｃから出射した光を合流導波路２ｃに戻す反射鏡６とで構成されている。
【００１４】
膨張薄膜５は、主成分としてのＰｄと、Ｐｄの水素に対する触媒効果を押さえるためのＡｇ（又はＡｕ）とからなっている。
【００１５】
光導波路２は、ＳｉＯ2からなる下部クラッド７ａ、７ｂと、下部クラッド７ａ、７ｂ上に形成されＧｅＯ2（又はＴｉＯ2）をドープしたＳｉＯ2からなる矩形断面形状のコア８と、ＳｉＯ2からなり下部クラッド７ｂ及びコア８を覆う上部クラッド４とで構成されている。
【００１６】
下部クラッド７ａ、７ｂ内には、Ｂ2Ｏ3とＳｉＯ2とからなる応力付与母材（ＳｉＯ2に比べて熱膨張率が大きい材質）９が設けられている。
【００１７】
上部クラッド４の上には、膨張薄膜５と光導波路２との接着性を高めるためのＣｒ膜１０が形成されている。尚、膨張薄膜５及びＣｒ膜１０は真空蒸着により形成される。
【００１８】
図２は図１に示した測定子に発光素子及び受光素子を接続した水素ガスセンサの平面図である。
【００１９】
図１に示す測定子の分岐側の光導波路２ａ、２ｂのうちの一方（図では上側）の光導波路２ａには発光素子（例えばレーザダイオード、以下「ＬＤ」という。）１１が接続され、測定子の分岐側の光導波路２ａ、２ｂのうちの他方（図では下側）の光導波路２ｂには受光素子（例えばフォトダイオード、以下「ＰＤ」という。）１２が接続されている。
【００２０】
図３は水素導入による測定子の変化を示す説明図であり、図４は図１に示した測定子が水素を吸収した状態を示す断面図である。
【００２１】
図１に示した測定子１に水素を導入する（測定子１を水素雰囲気中に晒す）と、Ｐｄが水素を吸収して膨張薄膜５が膨張するが、光導波路は膨張しないので、測定子はいわばバイメタルのように変形する。その結果、測定子１の自由端が図４に示したように変位する（図３、ステップＳ１）。
【００２２】
このため、応力付与母材９が応力により収縮し、導波路の損失が増加する（図３、ステップＳ２）。
【００２３】
従って、ＰＤ１２の出力電圧が減少するので、この減少を以て水素ガスを検知することができる（図３、ステップＳ２）。
【００２４】
ここで、本発明の水素ガスセンサは、測定子１の微小変位を検出することから、測定子１に微小変位（物理的変位）を及ぼす要因に対する検知であれば、応用範囲は広がる。例えば、Ｐｄ／Ｃｒ／導波路基板構造の測定子１にＰｄ／Ｃｒ等を蒸着しなくても、振動検出等に応用することができる。また測定子１に温度又は湿度により形状変化する物質を用いれば、温度センサあるいは湿度センサに応用できる。
【００２５】
ここで、従来の光ファイバ応用水素ガスセンサは、測定子が裸光ファイバのため、非常に折れやすく、また、湿度による感度低下が懸念されるが、本発明の直線偏波保存型導波路を用いた水素ガスセンサ１は、表面積が大きく、ある程度の厚さを有しているので、従来の水素ガスセンサに比べて丈夫である。また、片持ち梁状構造を有しているため、測定子１にかかるストレスも小さい。さらに、固定端側にＬＤ１１やＰＤ１２を並列配置することができ、コンパクト化することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００２７】
取り扱いが容易な水素ガスセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の水素ガスセンサの測定子の一実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】図１に示した測定子に発光素子及び受光素子を接続した水素ガスセンサの平面図である。
【図３】水素導入による測定子の変化を示す説明図である。
【図４】図１に示した測定子が水素を吸収した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 測定子
２ 光導波路
２ａ、２ｂ 分岐導波路
２ｃ 合流導波路
３ 光分岐器
４ 上部クラッド
５ 膨張薄膜
６ 反射鏡
７ａ、７ｂ 下部クラッド
８ コア
９ 応力付与母材
１０ Ｃｒ膜
Claims (3)
- 光導波路からなり、分岐側を固定端とし、合流側を自由端とする片持ち梁状の光分岐器と、該光分岐器の上部クラッド側に貼り合わされ、水素を吸収すると膨張する膨張薄膜と、上記光分岐器の合流側の端面に設けられ合流側の光導波路から出射した光を該合流側の光導波路に戻す反射鏡と、上記光分岐器の分岐側の端面の一方の光導波路に接続された発光素子と、上記光分岐器の分岐側の端面の他方の光導波路に接続された受光素子とを備えたことを特徴とする水素ガスセンサ。
- 上記膨張薄膜はパラジウムと、銀又は金とからなる請求項１に記載の水素ガスセンサ。
- 上記光分岐器の下部クラッド側に応力付与母材を設けた請求項１又は２に記載の水素ガスセンサ。
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001129666A JP4026325B2 (ja) | 2001-04-26 | 2001-04-26 | 水素ガスセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002323441A JP2002323441A (ja) | 2002-11-08 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| Country | Link |
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| CN105758800B (zh) * | 2016-03-07 | 2019-07-05 | 复旦大学 | 一种基于卷曲薄膜的光学氢气检测器及其制备方法 |
| JP7304606B2 (ja) | 2017-08-10 | 2023-07-07 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 膜型表面応力センサーを用いた水素センサー及び水素検出方法 |
| CN110763630A (zh) * | 2018-07-25 | 2020-02-07 | 南京诺威尔光电系统有限公司 | 共振光声光谱检测系统与方法 |
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2001
- 2001-04-26 JP JP2001129666A patent/JP4026325B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2002323441A (ja) | 2002-11-08 |
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