JPH1038843A - 不活性ガスのためのガス／湿気センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 不活性ガス中のガス及び、又は湿気を数ｐｐ
ｂレベルで検出するための改良電解式ガス／湿気センサ
を提供すること。 【解決手段】 この電解式ガス／湿気センサは、数ｐｐ
ｂレベルで検出するガス／湿気センサとして機能するよ
うに、１対の電極にキャスト操作によって被覆されたペ
ル弗素化イオン交換重合体から成る固体電解質フィルム
を有する。アノード電極とカソード電極は、互いに嵌り
合う櫛形配列のグリッドの形とされ、水素と酸素の再結
合反応を起すことなく、又、電極間で金属イオンの移行
を起すことなく、数ｐｐｂレベルの湿気の検出を可能に
するように、カソード電極は、金の表面を有し、アノー
ド電極は、ロジウムの表面を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素、酸素及び空
気を含む不活性ガス中のガス及び、又は湿気を数ｐｐｂ
レベルで検出するための電解式ガス／湿気センサ（以
下、単に「湿気センサ」又は「ガスセンサ」とも称す
る）に関する。特に、本発明は、１９９４年６月２１日
に発行された本出願人自身の米国特許第５，３２２，６
０２号に開示されたガス／湿気センサの改良に係る。即
ち、本発明は、嵌め合い櫛形の形に配列された導電線か
ら成る電極に、酸で処理された固体イオン交換重合体要
素を被覆したことを特徴とする電解式ガス／湿気センサ
の改良であり、上記米国特許第５，３２２，６０２号の
湿気センサでは不可能であった、不活性ガス中の湿気の
検出を可能にする。

【０００２】

【従来の技術】半導体及び集積回路の製造においては、
収率を高め、製造コストを削減するために、その製造工
程中用いられるガス中の湿気の量を迅速に検出し測定す
る必要がある。今日知られている湿気センサのタイプと
しては、冷却ミラー式湿度計、電解式センサ、石英結晶
発振器及び容量性センサ等があるが、電解式センサは、
比較的使用し易く、製造コストが安いばかりでなく、特
に、従来技術のセンサによって可能とされる最低レベル
の量の湿気を検出することができるという点で好まし
い。

【０００３】半導体製造工程において用いられるガス中
の湿分の検出は、収率を高め、製造コストを削減する上
で非常に重要である。現在、半導体製造産業において
は、半導体製造工程に用いられる不活性ガス中の湿気の
量を検出しており、今までは窒素、アルゴン及びヘリウ
ムガス中の湿分の検出に専念してきたが、これらの不活
性ガスだけでなく、今日では、水素、酸素及び空気中の
湿分を測定する必要がある。しかしながら、上記米国特
許第５，３２２，６０２号に開示された湿気センサを始
め、従来周知の電解式センサでは、水素、酸素及び空気
中の湿分を測定することができないことが判明した。

【０００４】本出願人の会社であるテレダイン・インダ
ストリーズ・インコーポレイテッド社のテレダイン電解
式センサは、その電解質要素として米国デラウエア州ウ
イルミントンＥ．Ｉ．デュポン社から”Ｎａｆｉｏｎ”
材という商品名で販売されている固体ペル弗素化イオン
交換重合体（ＰＦＩＥＰ）を使用している。この固体ペ
ル弗素化イオン交換重合体（以下、「イオン交換重合
体」又は単に「重合体」とも称する）は、１８０°Ｃ程
度の温度までその重合体のイオン伝導性を維持するよう
に上記米国特許第５，３２２，６０２号に開示された態
様で燐酸等の酸で処理される。この酸で処理されたイオ
ン交換重合体が、スピンキャストによって電極配列体に
被覆される。

【０００５】この電解式センサによる不活性ガス中の湿
気の検出は、湿気（水）を水素と酸素に分解する電気分
解過程を利用して行われる。即ち、湿気帯同ガスは、上
記固体ペル弗素化イオン交換重合体の被覆層（コーチン
グ）又はフィルムを透過して電極の表面に到達する。１
対の電極（アノード電極とカソード電極）の間に電圧が
印加されると、湿気は、下式（１）で表されるように電
気分解により水素イオンＨ⁺ と水酸化物イオンＯＨ^- に
分解される。

【化１】 Ｈ₂ Ｏ−−−→Ｈ⁺ ＋ＯＨ^- （１） この電解過程中、下式（２）で表されるように水酸化物
イオンが酸化することによりアノード電極の表面に電子
が放出される。

【化２】 ２ＯＨ^- −−−→Ｏ₂ ＋Ｈ₂ ＋２ｅ^- （アノード） （２） アノード電極の表面に放出された電子（２ｅ^- ）は、カ
ソード電極の表面へ流れ、そこで、水素イオンが下式
（３）で表されるように還元される。

【化３】 ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- −−−→Ｈ₂ （カソード） （３）

【０００６】この電流が測定され、被検出又は被分析ガ
ス中の湿気濃度を算定するのに用いられる。この電解過
程中に発生する電流は、被分析ガス中の湿気の部分圧に
比例する。ガス中の湿気濃度の算定は、ガスの流量では
なく、水の部分圧によって決められるように、ガス中の
湿気は必ず上記重合体フィルムを通して拡散し電極表面
に到達せしめられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、水素、酸素及
び周囲環境空気を含む不活性ガス中の湿気を数ｐｐｂレ
ベルにまで迅速に、かつ、高い信頼性をもって、しかも
安価に検出することができる電解式ガス／湿気センサを
求める要望がある。本発明の課題は、この要望を充足す
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、水素、酸素及び周囲環境空気を含む不活
性ガス中の湿気を数ｐｐｂレベルにまで検出し、その情
報を信号として発信することができる改良された電解式
湿気センサを提供する。本発明の比較的安価な改良電解
式湿気センサは、非吸湿性基板と、該基板上に被着さら
れたアノード電極とカソード電極として機能する１対の
電極と、該１対の電極を覆って被覆されたペル弗素化イ
オン交換重合体の薄い固体フィルムから成り、該ペル弗
素化イオン交換重合体は、ほぼ１８０°Ｃの温度にまで
そのイオン伝導性を維持するように処理されたものであ
ることを特徴とする。

【０００９】湿気帯同不活性ガスがこのイオン交換重合
体を覆って流れると、そのガス中の湿気が該重合体によ
って吸収され、該重合体を透過して拡散し電極表面に到
達する。電解作用を起すためにアノード電極とカソード
電極の電極間に適当な電圧が印加されたときに起る電極
間の金属イオンの移行及び再結合反応の上述した問題を
回避するために、本発明によれば、カソード電極を金で
構成し、アノード電極をロジウムで構成する。好ましい
実施形態では、両電極は、互いに嵌り合う櫛形配列と
し、不活性ガス中の湿気を数ｐｐｂレベルにまで検出す
るように両電極間の間隔を選定する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明者らは、現行の電解式セン
サは、不活性ガスが水素、酸素及び空気である場合、そ
のようなガス中の低レベルの湿気を検出することができ
ないことを見出した。その理由は、以下の式（４）で表
される水の電気分解の生成物であるＨ₂ とＯ₂ が再結合
することであることが分かった。

【化４】 ２Ｈ₂ Ｏ−−−→２Ｈ₂ ＋Ｏ₂ （４） Ｈ₂ とＯ₂ の再結合反応は、以下の式（５）で表され
る。

【化５】 Ｈ₂ ＋Ｏ₂ −−−再結合−−−→Ｈ₂ Ｏ （５）

【００１１】更に、本発明者らは、電極間で金属イオン
が移行することに問題があり、その移行動作が、又、現
行の電解式センサが所望の検出レベルで検出すのを阻害
するを原因ともなっていることを発見した。

【００１２】本発明者らは、水素及び酸素等のバックグ
ラウンドガスが上述の再結合反応を強制して水の形成を
完成させ、その結果として、特にｐｐｂ単位の低いレベ
ルではセンサの電流出力にオーバーラップする高いバッ
クグラウンド電流出力を発生することを発見した。

【００１３】上述の再結合反応は、特にＨ₂ 分子が発生
して（式（３）参照）電極表面上のすべての反応部位を
独占するカソード電極においては、基本的に、電極基材
上の表面反応である。このことから、本発明者らは、電
極材の化学的性質が上述の再結合反応において重要な役
割を果たし、従って最終的にガス中の湿気の検出に影響
するものと結論づけた。プラチナ金属から作られた電極
は、水素ガス中の湿気を検出するための電解式湿気セン
サに用いた場合、上述した再結合反応によって減衰する
ことがない非常に高いバックグラウンド信号を発生す
る。

【００１４】電解式湿気センサの一方の電極から他方の
電極への金属イオンの移行が、出力信号を連続的に誤っ
て増大させ、最終的にその湿気センサの両電極を電気的
に短絡させるに至らせる。この過程において、金属粒子
が酸化反応に参加する。換言すれば、下式（６）で表さ
れるように金属粒子が溶解し、従って、金属Ｍの量が減
少する。

【化６】 Ｍ−−−→Ｍⁿ⁺＋ｎｅ^- （アノード） （６）

【００１５】本発明が対象とする電解式湿気センサの電
解質として固体電解質が用いられた場合、電界が発生す
る結果として金属イオンは、下式（７）で表されるよう
に、電解質内で移行する。

【化７】 Ｍⁿ⁺（アノード）−−移行−→Ｍⁿ⁺（カソード）−→Ｍ（カソード）（７）

【００１６】カソード電極とアノード電極の間の間隙又
は空間にある金属イオンは、下式（８）で表される化学
還元反応により水素Ｈ₂ のような湿気帯同ガスによって
減少せしめられる。

【化８】 Ｍⁿ⁺＋Ｈ₂ −−−→Ｍ＋Ｈ⁺ （８）

【００１７】カソード電極とアノード電極の間の空間の
金属イオンは、還元された後、その空間に堆積される。
その空間で還元されずに残された酸化金属イオンは、カ
ソード電極において下式（９）で表されるように電気化
学的に還元される。

【化９】 Ｍⁿ⁺＋ｎｅ^- −−−→Ｍ（カソード） （９）

【００１８】上記式（６）、（７）、（８）及び（９）
において、Ｍは金属、Ｍⁿ⁺はｎ個の金属イオン、ｎｅ^-
はｎ個の電子を表す。

【００１９】最終的に、この移行金属イオンが２つのセ
ンサ電極間の空間に堆積して該空間を埋めるので、電気
的短絡回路を形成し、それによってセンサの機能を無効
にしてしまう。この移行作用の大きさは、選択された特
定のアノード材の電気化学的酸化ポテンシャルと、セン
サの両電極間に印加される電圧に依存する。例えば、金
は、プラチナより酸化ポテンシャルが低いから、電極間
に印加される電解用電圧が高過ぎると、移行作用が大き
くなり、重大な問題となる。湿気（水）に対する所望の
電解作用を達成し、その電解作用を維持するためには、
電解用電圧を予め設定した低い値に制限しなければなら
ない。

【００２０】上記のことに基づいて、本発明者らは、湿
気検出用電解式検出セルの電極の素材と、両電極間に対
する印加電圧の値を適正に選択することにより、再結合
反応や、電極間の金属イオンの移行の問題を起こすこと
なく、湿気を帯同した超高純度水素、超高純度酸素及び
空気中の湿気を電解式センサによって数ｐｐｂ単位で検
出することを可能にすることを見出した。

【００２１】上記の概念を念頭において、上記米国特許
第５，３２２，６０２号に開示されたタイプのガス／湿
気センサを詳細に検討し、本発明のガス／湿気センサの
利点を明確にするために、電極の素材と印加される電解
用電圧値を精査する目的で上記特許のガス／湿気センサ
をテストした。

【００２２】本発明の理解を容易にするために、上記米
国特許第５，３２２，６０２号の電解式ガス／湿気セン
サの構造、及び、ペル弗素化イオン交換重合体のイオン
伝導性をほぼ１８０°Ｃまで維持するために酸で平衡化
された固体ペル弗素化イオン交換重合体によって電解質
を調製する該米国特許の方法を参照されたい。又、本発
明の理解を容易にするために、米国特許第５，３２２，
６０２号の電解式ガス／湿気センサの構造が本出願の添
付図にも示されているが、それ以上の詳細が必要なら
ば、米国特許第５，３２２，６０２号の明細書を参照さ
れたい。

【００２３】本発明の湿気センサは、上記米国特許第
５，３２２，６０２号に開示された方法に従って調製さ
れたキャスト（流延成形された）電解質層を用いる。電
極の好ましい構成は、図に明示されているように、嵌め
合い櫛形に配列された導電線から成るものであり、それ
らの上に電解質層又はコーチング（以下、単に「電解
質」とも称する）ＥＬを形成する。導電線の嵌め合い櫛
形（以下、単に「櫛形」とも称する）配列は、当該技術
において周知であり、導電線を適当な基板上に被着する
方法も周知である。

【００２４】図２に示された基板Ｓの構造は、２電極型
電解式湿気センサに用いるためのものである。この基板
Ｓは、アルミナ等の非吸湿材で形成される。アノード電
極Ａとカソード電極Ｃのための２つの電極端子は、基板
Ｓ上のアノード導線ＡＬ及びカソード導線ＣＬに対して
良好な電気的接触を設定し、かつ、外部リード線（図２
には示されていない）に電気的に接続することができる
ように、基板Ｓの一端に近接したところに設けられる。
アノード導線ＡＬは、図２に示されるように、、基板の
上面をその一側から他側近くにまで横切る複数の平行な
導線として延長し、アノード電極即ちアノード端子Ａに
終端している。アノード導線ＡＬは、カソード電極即ち
カソード端子Ｃに終端するカソード導線ＣＬと互いに嵌
り合う櫛形に配列されており、カソード導線ＣＬも、ア
ノード導線と同様に櫛形に平行に配列されているが、ア
ノード導線との間に間隙が設けられるように配置されて
いる。導線ＡＬとＣＬの間の間隙は、その湿気センサの
作動要件に応じて任意に定めることができるが、典型的
な例では、０．００３ｉｎ（０．０７６２ｍｍ）の間隙
とする。

【００２５】２つの電極は、導線ＡＬ及びＣＬが電解質
ＥＬによって被覆される場合、端子部分Ａ及びＣからそ
れぞれ延長した導線ＡＬ及びＣＬの全長によって形成さ
れる。２電極構成においては、検出すべきガス（湿気）
の電気分解に対する所要の感度に応じて１０ボルトから
７０ボルトの間で適当な電圧値が選択される。この固定
電圧源Ｖが、図３に図式的に示されるように、アノード
電極Ａ及びカソード電極Ｃに接続される。

【００２６】ガス中の湿気を検出するための湿気センサ
を構成する場合は、アノード電極Ａ及びカソード電極Ｃ
を純粋金属又は合金で製造する。次いで、上述したよう
に調製された電解質混合物を嵌め合い櫛形導線ＡＬ及び
ＣＬの上にキャスト（流延）し、固体電解質層即ちコー
チングＥＬを形成する（図１参照）。導線ＡＬ及びＣＬ
を覆ってキャストされたこの固体電解質層ＥＬは、それ
らの導線ＡＬ及びＣＬに緊密に接触（密着）するととも
に、導線ＡＬとＣＬの間の間隙を架橋する。

【００２７】周知のように、”Ｎａｆｉｏｎ”材から調
製された電解質層ＥＬは、当然に吸湿性であり、酸で処
理された後もその吸湿性は変わらないので、湿気帯同ガ
ス流に露呈されると、湿気を吸収する。電解質層ＥＬに
ガス流中の湿気が吸収され、アノード端子Ａとカソード
端子Ｃの間に１０〜７０ボルトの電圧が印加されると
（図２参照）、ガス流は電気分解される。ガス流が湿気
帯同空気である場合、その空気流中の湿気即ち水Ｈ₂ Ｏ
は、電解質に衝突すると、水素と酸素に分解される。そ
の結果として、櫛形導線ＡＬとＣＬの対向した各区間の
間に電流が流れて最終的に端子Ａ及びＣへ流れ、その電
流の大きさが、電解質層ＥＬに露出された空気中の湿分
の尺度として用いられる。

【００２８】基板Ｓに設けられた導線ＡＬ及びＣＬを電
解質フィルムＥＬで被覆したならば、図１に示されるよ
うに、端子Ａ及びＣに細いリード線ＡＷ及びＣＷを電気
的に接続して外方へ延長させる。基板Ｓの裏面（図１で
みて上面）に、その４隅に近接したところで４本の導電
性支柱Ｐを固定し、基板Ｓの裏面（上面）から所定距離
だけ突出させる。図１には、３本の支柱Ｐがみえてい
る。

【００２９】このようにして形成された電解式センサを
図１に示されるように円筒形電極保持部材又はプレート
ＥＨの中央開口ＥＨＡ内に取り付ける。中央開口ＥＨＡ
内に非導電性の密封材を注入充填し、電解式センサの基
板ＳをヘッダＨに対して間隔を置いて保持し、保持プレ
ートＥＨの内側面（図１でみて下面）から離隔させて支
持する。次いで、細いリード線ＡＷ及びＣＷを１対の近
接する支柱Ｐに電気的に接続し、それによってセンサか
らの電流を導電性支柱Ｐを通して導出するようにする。
支柱Ｐは、ヘッダＨを貫通し、保持プレートＥＨの外側
面（上面）から上に突出させる（図示せず）。それによ
って、導電性支柱Ｐに外部電気コネクタを接続するため
にアクセスすることができる。

【００３０】この湿気センサ組立体は、保持プレートＥ
ＨをブロックＢＡに取り付けることによって完成する。
ブロックＢＡも円筒形であり、基板Ｓを収容するための
中央キャビティＢＡＣを有している。ブロックＢＡは、
ガス搬送管を受容し固定するための１対の半径方向の孔
（図示せず）を有している。ガス搬送管は、図１では、
ガス入口管Ｉとガス出口管Ｏとして示されている。図か
ら明らかなように、入口管Ｉへ流入したガス又は湿気帯
同空気は、キャビティＢＡＣに連通し、出口管Ｏから流
出する。管Ｉ及びＯをブロックＢＡの孔に固定すれば、
ブロックＢＡの組立は完了する。

【００３１】湿気センサ組立体は、保持プレートＥＨを
ブロックＢＡの上面に取り付け、センサ組立体（電解質
層によって被覆された導線及び電極を有する基板Ｓ）を
ブロックＢＡのキャビティＢＡＣ内に収容することによ
って完成する。かくして、センサ組立体は、その電解質
層ＥＬが入口管Ｉへ流入して出口管Ｏから流出するガス
流の経路内に懸架される。保持プレートＥＨとブロック
ＢＡの組立体は、両者の円周に沿って間隔を置いて穿設
された互いに整列した複数の孔ＦＡに締着具Ｆを挿通す
ることによって固定される。図示の例では、保持プレー
トＥＨとブロックＢＡにそれぞれ６個の孔ＦＡが穿設さ
れている。締着具Ｆは、図には１個だけが示されてい
る。

【００３２】保持プレートＥＨとブロックＢＡの組立が
完了すると、支柱Ｐは、ヘッダＨの裏面（図１でみて上
面）からアクセスできるように、上述したようにヘッダ
Ｈの裏面から外方へ突出している。電気化学的反応を駆
動し、導線ＡＬとＣＬの間に電流を流すために、図１に
みられるように、選択された固定電圧源Ｖを保持プレー
トＥＨの外側面（上面）から２本の支柱Ｐの外端（上
端）に接続し、それによって、リード線ＡＷ及びＣＷを
介して端子Ａ及びＣに接続することができる。かくし
て、この回路に流れる電流の大きさが、管Ｉを通して供
給されるガス中の湿気の量（湿分）を表示する。この電
流は、電源Ｖから所定の電圧が印加されたとき電解質層
ＥＬに流れる電量を測定するための適当な検出回路（図
１及び２にブロックＭで示される）によって測定され
る。検出回路Ｍは、湿気の量を周知の回路によって直接
読み取ることができるように容易に校正することができ
る。

【００３３】上述した本発明のセンサをそのアノード電
極とカソード電極の両方をプラチナ製とすることによっ
てテストしたところ、それらのプラチナ製アノード及び
カソード電極は、両者の間に５〜２０ボルトの所定の電
圧を印加してバックグラウンドガスである水素Ｈ₂ 中の
数ｐｐｂレベルの湿気を検出するのに用いられた場合、
最大限のＨ₂ ／Ｏ₂ 再結合作用を示し、移行作用は全く
起さないことが実証された。アノード及びカソード電極
として金を用いて同様のテストをしたところ、金製の電
極は、最少限の再結合作用を示し、最も高い移行作用を
惹起することが認められた。第３の同様なテストをロジ
ウム電極を用いて実施したところ、ロジウム製のアノー
ド及びカソード電極は、ごく僅かな再結合作用を示し、
移行作用はほとんど起さないことが認められた。

【００３４】以上のことから、本発明者らは、金Ａｕは
Ｈ₂ とＯ₂ の反応を触媒しないから、金のカソード電極
を用いれば、上記再結合の問題を回避することができる
と結論づけた。しかしながら、上述した金を用いてのテ
ストにおいて金製電極が最も高い移行作用を惹起するの
は、上記式（４）による電気分解中金イオンがアノード
表面上に発生し、それらの金イオンがカソード表面へ移
行するからであり、移行した金イオンがカソード表面上
で還元されてカソード電極とアノード電極の間の間隙又
は空間をゆっくり埋めていき、両電極を短絡させること
が観察された。アノードの表面上での金イオンＡｕ⁺ の
発生は、下式（１０）で表される。

【化１０】 Ａｕ−−−→Ａｕ³⁺＋３ｅ^- （アノード） （１０）

【００３５】金フィルムをカソード表面にのみ使用し
て、そのカソード電極に負電圧又はアのス電位を印加す
ると、酸化反応が起らず、移行作用も全く生じない。更
に、金のカソード表面には、上述したように再結合作用
が起らない。従って、金は、本発明のカソード電極の表
面材として使用するのに好ましい適な金属フィルムであ
る。

【００３６】ロジウムＲｈフィルムをアノード電極の表
面材として使用し、その電極に上述した所定の電圧を印
加したところ、その電圧は反応を起すほどの高い値では
なく、移行作用も全く観察されなかった。しかしなが
ら、ロジウムフィルムを本発明の電解式センサのカソー
ド電極の表面に使用した場合、ロジウムＲｈは、僅かな
再結合作用を示すことが判明した。これは、カソード表
面上には、湿気の電解中、及び、バックグラウンドの水
素ガスから水素Ｈ₂ が発生し、それによって再結合反応
が起るからである。しかし、ロジウムフィルムは、アノ
ード電極の表面材として使用されれば、ごく僅かな再結
合作用しか示さない。なぜなら、バックグラウンドガス
から来る若干の水素分子が存在するが、アノード電極の
表面上のすべての触媒作用部位が水の電気分解によって
生じる酸素分子Ｏ₂ によって占められており、それによ
って再結合作用をなくすからである。

【００３７】従って、水素ガス、酸素ガス又は空気中の
湿気の濃度を数ｐｐｂ単位で測定するための電解式セン
サにおいて、金属イオンの移行及びＨ₂ とＯ₂ の再結合
反応の問題を解消又は最少限にするためには、カソード
電極に金の表面を使用し、アノード電極にロジウムの表
面を使用することが好ましい。

【００３８】

【発明の効果】叙上のように、本発明の電解式湿気セン
サは、従来は、不可能であった水素、酸素及び空気を含
む不活性ガス中の湿気濃度を数ｐｐｂ単位で正確に効率
的に測定することを可能にする。

【００３９】以上、本発明を実施形態に関連して説明し
たが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形
状に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲か
ら逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であ
り、いろいろな変更及び改変を加えることができること
を理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による電解式湿気検出セル組立
体の分解図であり、一部を切除し、他の一部をブロック
図で示す。

【図２】図２は、電解質層で覆われた、２電極型検出セ
ルのための嵌め合い櫛形導電線を有する基板を図１の組
立体から取り出した状態で示す平面図である。

【図３】図３は、図２の電極端子の概略図であり、電極
端子に接続された電圧及び電流検出回路を示す。

【符号の説明】 Ａ：アノード電極（アノード端子） Ｃ：カソード電極（カソード端子） Ｆ：締着具 Ｈ：ヘッダ Ｉ：ガス入口管 Ｍ：検出回路 Ｏ：ガス出口管 Ｐ：導電性支柱 Ｓ：基板 Ｖ：電圧源 ＡＬ：アノード導線 ＡＷ，ＣＷ：リード線 ＢＡ：ブロック ＣＬ：カソード導線 ＥＨ：電極保持部材又は電極保持プレート ＥＬ：電解質層又はコーチング ＦＡ：孔 ＢＡＣ：中央キャビティ ＥＨＡ：中央開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ナイム・アクマル アメリカ合衆国カリフォルニア州ハシエン ダ・ハイツ、サウス・ハシエンダ・ブール バード2401、アパートメント327

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素、酸素及び空気を含む不活性ガス中
   の湿気濃度を数ｐｐｂレベルで検出するための湿気セン
   サであって、 非吸湿性絶縁基板と、該基板上に被着さられた複数の電
   極と、該複数の電極を覆って被覆されたペル弗素化イオ
   ン交換重合体より成る薄い固体電解質フィルムとから成
   り、該ペル弗素化イオン交換重合体は、ほぼ１８０°Ｃ
   の温度にまでそのイオン伝導性を維持するように１種類
   又は複数種類の酸で処理されたものであり、該ペル弗素
   化イオン交換重合体の固体電解質フィルムは、前記電極
   間に所定の電解電圧が印加されたとき、該フィルムを覆
   って搬送される不活性ガスから吸収した湿気を該フィル
   ムを通して拡散させて前記電極に到達させる電解質とし
   て機能し、アノード電極とカソード電極の間で金属イオ
   ンの移行を起すことなく、かつ、水素と酸素の再結合反
   応を起すことなく前記不活性ガス中の湿気の検出を行う
   ことができるように前記電極のうちカソード電極として
   機能する一方の電極は、金で形成され、アノード電極と
   して機能する他方の電極は、ロジウムで形成されている
   ことを特徴とする湿気センサ。
2. 【請求項２】 前記電極は、互いに嵌り合う櫛形配列と
   され、不活性ガス中の湿気を数ｐｐｂレベルにまで検出
   するように両電極間の間隔が選定されていることを特徴
   とする請求項１に記載の湿気センサ。
3. 【請求項３】 前記電解電圧は、５〜２０ボルト程度で
   あり、不活性ガス中の湿気を数ｐｐｂレベル単位で検出
   するために５〜２０ボルトの範囲から選定されることを
   特徴とする請求項１又は２に記載の湿気センサ。
4. 【請求項４】 前記不活性ガス中の湿気濃度の算定が該
   ガスの流量ではなく、該ガス中の湿気の部分圧によって
   決められるように、ガス中の湿気は必ず感湿性の前記電
   解質フィルムを通して拡散し電極表面に到達せしめられ
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載の湿気セン
   サ。
5. 【請求項５】 水素、酸素及び空気を含む不活性ガス中
   の微量レベルの湿気濃度を検出するための湿気センサで
   あって、 アノード電極及びカソード電極と、不活性ガス中の湿気
   を検出するために該両電極と共に配置された電解質を有
   する電解式センサから成り、 前記アノード電極とカソード電極の間に所定の電解電圧
   が印加されたとき、前記電解質に接触せしめられた不活
   性ガス中の湿気の濃度を表す電気出力信号を発生するよ
   うに、該カソード電極は、金の表面を有し、該アノード
   電極は、ロジウムの表面を有していることを特徴とする
   湿気センサ。
6. 【請求項６】 水素、酸素及び空気を含む不活性ガス中
   の湿気濃度を数ｐｐｂレベル単位で検出するための電解
   式湿気センサであって、 １対の電極と、該電極を被覆した電解質を有する電解式
   センサから成り、該電解質は、該電解質に接触せしめら
   れた不活性ガス中の湿気を吸湿し、該電解質を通して前
   記電極にまで拡散させる吸湿性であり、前記１対の電極
   の間に所定の電解電圧が印加されたとき、電解生成物の
   触媒作用による再結合、及び、該１対の電極間で金属イ
   オンの移行を起すことなく、前記電解質によって吸収さ
   れた湿気によって創生される電流が、該電解質に接触せ
   しめられた不活性ガス中の湿気の濃度を直接表すよう
   に、該１対の電極のうちのカソード電極は、金の表面を
   有し、アノード電極は、ロジウムの表面を有しているこ
   とを特徴とする電解式湿気センサ。
7. 【請求項７】 前記電解質は、予め酸で処理され、前記
   １対の電極を覆ってスピンキャストされた固体のペル弗
   素化イオン交換重合体から成ることを特徴とする請求項
   ６に記載の電解式湿気センサ。
8. 【請求項８】 ガス中の湿気濃度の検出を含む、ガス混
   合物中の１種類のガスの濃度の検出を行うための電解式
   ガスセンサであって、 少くとも２つの電極を有し、２つの電極は、互いに嵌り
   合う櫛形配列とされ、ガス濃度を数ｐｐｂレベルで検出
   するように該両電極間の間隔が選定されており、再結合
   反応及び、又は金属イオン移行の問題を起すことなく、
   ガス濃度の検出を行うことができるように、該電極のう
   ちのカソード電極として機能する電極は、金の表面を有
   し、アノード電極として機能する電極は、ロジウムの表
   面を有していることを特徴とする電解式ガスセンサ。