JPH01320451A - 気体検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 腫１しど訪 本発明は、気体検知装置、より詳細には、環境保全、医
療等において応用可能なガスセンサに関する。

更未皮炙 第３図（ａ）、（ｂ）は、従来の気体検知装置の一例を
説明するための図で、図中、１は基板、２は検知層で、
（ａ）図に示した例は、基板１として透明の基板を用い
、該透明基板上に、特定ガスとの接触により吸光度が変
化する検知物質を含有した検知層を形成したもの、（ｂ
）図に示した例は、基板１として反射率の高い基板を用
い、該反射基板上に、（ａ）図に示した例と同様に、特
定ガスとの接触により吸光度が変化する検知物質を含有
した検知層２を形成したものである。従って、（ａ）図
に示した例では、光は基板を透過し、（ｂ）図に示した
例では、反射する。この透過または反射光は、ガス濃度
が高くなるにつれ検知層の吸光度が増すため、光量が減
る。従って、透過又は反射光の強度を測定することでガ
スが検知できる。

第４図は、本出願人が先に提案した気体検知装置の一例
を説明するための構成図で、（ａ）図は側断面図、（ｂ
）図は上面図で１図中、２は検知層、３は光伝導媒体、
４は反射膜で、光伝導媒体として、直方体を用い、側面
に反射膜を設けて、光伝導媒体内で光が多重反射しなが
ら伝播するようにし、この光伝導媒体の一方の平面に特
定のガスとの接触により吸光度が変化する検知層２が形
成されている。

なお、上述のごとき従来技術においては、装置をなるべ
く安価にするために、光源としてＬＥＤを用い、透過光
量は、フォトダイオードにより測定している。

しかし、上記従来技術は、以下に説明するような欠点が
ある。今、例として、第３図（ａ）に示したような光が
検知層を透過する場合を考えると。

この時、検知物質とガスが反応した時の検知物質に対す
る光の吸収波長における吸光度のガス濃度依存性は一般
に第５図に示すようになる。すなわち、ガス濃度がＣ１
以下及び０２以上では、ガス濃度変化に対して透過光量
の変化が小さくなり、検知装置として機能するのは、ガ
ス濃度０１〜Ｃ２の範囲のみとなる。

さて、吸光度Ａはランベルト・ベーアの法則より （ｆ：吸光係数、ｂ：検知層の厚み、Ｃ：ガス濃度） となる。フォトダイオードを用いた場合、吸光度変化を
検知可能な範囲は、検知層の厚みが１＋ｍで検知物質濃
度が０．１％程度の場合（−膜内な検知層）、０．１＜
Ａ＜（１，０〜２．０）程度となる。

従って、第５図のＣ１及びＣ２は、Ｃ０＝０．１゜Ｃ，
＝１．０〜２．０となり、この時、（１）式は、０．１
＝εｂｅ、　　　・・・（２） １．０＝ｉｂｃ２　−　（３） となる。

よって、ガス濃度のダイナミックレンジは、（２）式、
（３）式より Ｃ２／Ｃ１＝２．０〜１．０１０．１＝１０〜２０とな
る。このように、ＬＥＤ、フォトダイオードを用いる安
価な装置では、あまり広いダイナミックレンジが得られ
ない。同様のことが、第３図（ｂ）及び第４図に示した
例についても言える。

目　　　　　的 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
特に、上記従来技術の欠点を解決し、安価でかつ、ダイ
ナミックレンジの広い気体検知装置を提供することを目
的としてなされたものである。

構　　　成 本発明は、上記目的を達成するために、気体中の特定物
質と接触したときに該物質と反応して光伝導媒体の光透
過能力を側室可能なほどに変化させる検知用物質を含有
する検知層を該光伝導媒体の外表面に有した光伝導媒体
と、該光伝導媒体内へ光を透過させるように配置された
光源と、前記光伝導媒体から出た光を？ｌｌ’ｌ定する
ための手段とを備えた気体中の特定物質検出装置、又は
検知層を基板上に形成し、該検知層を光が透過又は反射
するよう配置された光源と、前記検知層を透過又は反射
した光を測定するための手段とを備えた気体中の特定物
質検出装置において、前記検知層の加熱および冷却手段
を有し、該検知層の温度を変化させることにより、前記
物質に対する検知感度を調整するようにしたことを特徴
としたものである。

以下、本発明の実施例に基いて説明する。

最初に、本発明の基本原理について説明する。

本発明は、検知物質とガスとの反応において。

その化学平衡が周囲の温度に依存することに着目したも
ので、以下、例として、検知物質に弱塩基性指示薬、Ｉ
ｎガスとしてアンモニアをとり上げると、化学反応式は
以下のようになる。

Ｉｎ＋Ｈ，○＃　Ｉ　ｎＨ”＋　ＯＨ−−（４）ＮＨ３
＋Ｈ２０ｐＮＨ４”＋ＯＨ−・・・（５）Ｈ２０ｄＨ”
ＯＨ−・・・（６） （４）〜（６）式において、平衡の関係、物質収支の関
係、電気的中性条件より 〔Ｈ＋〕・〔○Ｈ−）＝に讐　　　　　　　　・・・　
（９）［Ｉｎ］＋（ＩｎＨ”）＝’Ｃ１・＝　　（１０
）（ＮＨ４＋〕＋（ＮＨｌ）＝Ｃ２・・・　（１１）（
Ｈ”）＋（Ｉ　ｎＨ”〕＋［ＮＨ，”）＝（ＯＨ−）・
・・　（１２） となる。

ここで、〔〕は濃度、Ｋｂｌ、　Ｋｂ２．Ｋｗは解離定
数、Ｃ１，Ｃ，は検知物質、ガスの各濃度を表わす。

（７）弐〜（１２）式より、一般に、Ｋｂｚ＞＞Ｋｂ□
であるので、近似的に、 ”　Ｆ　（ｃｚ　） ・・・（１３） となる。従って、波長として、ＩｎＨ”の吸収波長を選
べば、この波長における吸光度は、Ｃ２すなわち、ガス
濃度の関数となる。

さて、（１３）式において、Ｋｂ、、Ｋｗが変化すれば
、（ＩｎＨ”）に対する関数Ｆ（Ｃ２）の型が変化する
。すなわち、ガス６度に対する吸光度変化の感度が変わ
る。熱力学的取扱より、一般に解離定数には。

一毒と Ｋ　＝　ＣＲＴ （ただし、Ｔ：絶対温度、Ｒ：定数、ΔＧ＝ギブスの自
由エネルギー） となり、温度の関数となる。

すなわち、検知層の温度を変化させることで、解離定数
Ｋｂ０．Ｋｖが変化し、従って、ガス濃度に対する検知
層感度が変化する。このことを利用すると、ガス濃度に
応じ、検知層温度設定値を変えれば、装置として、ダイ
ナミックレンジが拡がる。

本発明は、上述のごとき原理に基づいてなされたもので
、第３図及び第４図に示したごとき検知装置、すなわち
、特定ガスと反応する検知物質を含有する検知層のガス
との反応による吸光度変化を測定する装置において、 （１）検知層の加熱及び冷却手段を装置内に有すること
、更には。

（２）検知層温度を数段階設定し、ガス濃度量に応じて
、加熱及び冷却手段により設定温度を選定し、検知感度
を調整することを特徴とする。

第１図（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の詳細な説明
するための構成図で、（ａ）図は、基板１に透明発熱体
フィルム５を付着し、通電加熱するようにしたもの、（
ｂ）図は、基板１の下部にヒーター５を付着したもの、
（ｃ）図は、（ａ）図の場合と同様、光伝導媒体３の下
部に透明発熱体フィルム５を付着したものを示すが、そ
の他の方法として、例えば、蒸着法、塗布法によりＳｎ
Ｏ，、Ｔｉｅ、、。

Ｉｎ２Ｏ，等を直接基板にコートしても良い。また、ペ
ルチェ素子などを基板又は光伝導媒体側面に接触させ、
冷却機構とし、加熱と同時に冷却を行うことで、検知層
温度をより安定化させる方が望ましい。また、（ｄ）図
に示すように、加熱手段５を検知装置に対して非接触に
してもよい。

システムとしては、各検知層温度におけるガス濃度に対
する出力の検量線を測定し１例えば、ＰＯＭに入力して
おけばデジタル処理によりガス濃度の測定ができる。な
お、このようなシステムにすれば、温度変化による光伝
導媒体等の屈折率変化は、測定誤差に入れなくてすむ。

実施例 検出方式として、第１図（ａ）の構成を用いた（光源Ｌ
ＥＤ、受光、フォトダイオード）。光伝導媒体として、
ＢＫ−７光学ガラス（２ｃｆｆｌＸ　２　ａｎ　。

ｔ＝０．３ｍｍ）を用い、その一方の平面に、検知物質
として５弱塩基性ｐＨ指示薬であるニュートラルレッド
Ｑ、５ｔｉｔ％含有した溶液（溶媒：純水３０％、エタ
ノール６５％、ポリビニルアルコール１．５％、グリセ
リン３％）を滴下し、スピンコードにより検知層を形成
し、他方の平面にＰＥＴをベースフィルムとしたＩＴＯ
透明発熱体を圧着した。第２図に、これを用いた時の２
５℃（白丸）。

８０℃（黒丸）の検知層温度におけるアンモニアガス濃
度に対するダイナミックレンジを示す。

第２図に示すごとく、従来、ＮＨ，濃度１０ｐｐｍ〜ｌ
ｏｏｐｐｍの？ｌｔｑ定領域が２５℃、８０℃、２つの
温度設定を行うことで、１　ｐｐｍ−１００ρｐａｎの
測定が可能となった。また、図示しないが、別の検知層
に関して、従来、５０　ｐｐｍ〜２００　ｐｐｍの測定
領域が、２つの温度設定を行うことで５　ｐｐｍ〜２０
０ｐｐｍ測定領域の測定が可能となった。このように検
知層温度を変えることで、ダイナミックレンジを１０倍
広げることが可能となった。

効　　　果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、検知
層の温度を変えるだけで、ダイナミックレンジが変わる
ので、従来のデバイス構成がそのまま使え、大きさはコ
ストアップを伴うことなくダイナミックレンジの広い気
体検知装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の詳細な説明
するための構成図、第２図は、本発明のダイナミックレ
ンジを説明するための図、第３図乃至第５図は、従来技
術を説明するための図である。 １・・・基板、２・・・検知層、３・・・光伝導媒体、
４・・・反射膜、５・・・発熱体。 第１図 （ａ）　　　　　’　　　　　　（ｂ）第２図 第６図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、気体中の特定物質と接触したときに該物質と反応し
   て光伝導媒体の光透過能力を測定可能なほどに変化させ
   る検知用物質を含有する検知層を該光伝導媒体の外表面
   に有した光伝導媒体と、該光伝導媒体内へ光を透過させ
   るように配置された光源と、前記光伝導媒体から出た光
   を測定するための手段とを備えた気体中の特定物質検出
   装置。 又は検知層を基板上に形成し、該検知層を光が透過又は
   反射するよう配置された光源と、前記検知層を透過又は
   反射した光を測定するための手段とを備えた気体中の特
   定物質検出装置において、前記検知層の加熱および冷却
   手段を有し、該検知層の温度を変化させることにより、
   前記物質に対する検知感度を調整するようにしたことを
   特徴とする気体検知装置。