JPS61201140A - 水素検知光センサ− - Google Patents
水素検知光センサ−Info
- Publication number
- JPS61201140A JPS61201140A JP60041316A JP4131685A JPS61201140A JP S61201140 A JPS61201140 A JP S61201140A JP 60041316 A JP60041316 A JP 60041316A JP 4131685 A JP4131685 A JP 4131685A JP S61201140 A JPS61201140 A JP S61201140A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- waveguide
- thin film
- light
- optical sensor
- gaseous hydrogen
- 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
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は石油精製プラント等において有用な水素を光学
的に検出するセンサーに関する。
的に検出するセンサーに関する。
水素を検出するセンサーとして従来、第３図に示すよう
に絶縁体基板１００上に５ｎ０２やＺｎＯなどの酸化物
半導体層１０１およびこの半導体層１０／上に間隔をお
いて対向させた一対の電極１０２ｋ。
に絶縁体基板１００上に５ｎ０２やＺｎＯなどの酸化物
半導体層１０１およびこの半導体層１０／上に間隔をお
いて対向させた一対の電極１０２ｋ。
１０２Ｂを設け、裏面側に加熱用ヒーター１０３と加熱
ｐＮ極１０１７を配した半導体センサーｌＯ！が知られ
ている。
ｐＮ極１０１７を配した半導体センサーｌＯ！が知られ
ている。
上記の半導体センサー１０５において、半導体層１０／
に水素ガスが化学吸着されると、水素ガスと半導体の間
で一般に電子の授受が行なわれ、その結果半導体層１０
／の表面からある厚み範囲にわたってキャリア濃度が増
加し、半導体層１０／の電気抵抗が減少して電極１０２
に、１０２Ｂに流れる電流上記の構造のほか、金属ゲー
トと半導体接合の整流作用や、ＭＯＳＦＥＴのゲート作
用を水素ガス検知に利用したものも知られている。
に水素ガスが化学吸着されると、水素ガスと半導体の間
で一般に電子の授受が行なわれ、その結果半導体層１０
／の表面からある厚み範囲にわたってキャリア濃度が増
加し、半導体層１０／の電気抵抗が減少して電極１０２
に、１０２Ｂに流れる電流上記の構造のほか、金属ゲー
トと半導体接合の整流作用や、ＭＯＳＦＥＴのゲート作
用を水素ガス検知に利用したものも知られている。
この場合は、金属と半導体の間の電子エネルギー準位差
が水素ガスの吸着によって変わることで水素ガス濃度を
測定している。
が水素ガスの吸着によって変わることで水素ガス濃度を
測定している。
上述した従来の酸化物半導体を用いた水素ガスｆ
ＪＩ加熱用ヒーターの組み込みを必要する。
またセンサー表面の酸化や劣化、結晶粒成長や析出が生
じ、経時変化で比較的早期に検出性能が低下する間顧が
ある。また、水素ガスのように可燃性、爆発性のあるガ
スに対しては、センサ一部からの配線を防爆化する特別
の工事をしなければならない。さらに、水素ガスに対す
る選択性も悪く、信頼性の高い水素ガス検知センサーは
未だ実用化されていない状況にある。
じ、経時変化で比較的早期に検出性能が低下する間顧が
ある。また、水素ガスのように可燃性、爆発性のあるガ
スに対しては、センサ一部からの配線を防爆化する特別
の工事をしなければならない。さらに、水素ガスに対す
る選択性も悪く、信頼性の高い水素ガス検知センサーは
未だ実用化されていない状況にある。
（従来の問題点を解決する手段〕
゛ 基板上に設けられた光導波路と、この導波路表ｊ戸
を覆うように積層された金属薄膜とを備えたセ、（ ！サーであって、前記金属薄膜をＰｄ、Ｐｔ等の水素コ １ガスを解離吸着する物質で形成するとともに、前げ 配溝波路を、前記金属薄膜で発生する電子およびプロト
ンを受けることによって光吸収係数が変化するＷＯ３な
どの誘電体物質で形成する。
を覆うように積層された金属薄膜とを備えたセ、（ ！サーであって、前記金属薄膜をＰｄ、Ｐｔ等の水素コ １ガスを解離吸着する物質で形成するとともに、前げ 配溝波路を、前記金属薄膜で発生する電子およびプロト
ンを受けることによって光吸収係数が変化するＷＯ３な
どの誘電体物質で形成する。
上記構造のセンサーにおいて、表面の金属薄膜に水素ガ
スが吸着するとこの薄膜から電子およびプロトンが発生
して上記薄膜下にある導波路に侵入し、この結果導波路
の光吸収係数が変化する。
スが吸着するとこの薄膜から電子およびプロトンが発生
して上記薄膜下にある導波路に侵入し、この結果導波路
の光吸収係数が変化する。
したがって、導波路の一端側から光を入射させ、導波路
他端から出射する光の光量を測定すれば、受光量の変化
によって上記センサー表面付近く水素ガスが存在してい
ることが検知できる。
他端から出射する光の光量を測定すれば、受光量の変化
によって上記センサー表面付近く水素ガスが存在してい
ることが検知できる。
以下、本発明を図面に示した実施例に基づいて詳細に説
明する。
明する。
第７図、第２図において／は使用波長に対して透明なガ
ラス、プラスチック等から成る基板であである。
ラス、プラスチック等から成る基板であである。
また導波路λを彫物する物質としてはＷＯ３が好適であ
り、その他一般にエレクトロクロミックを示す無機材料
、例えばＭＯＯ３１Ｖ２０５ 、Ｔｉ０２ｙＩｒ（ＯＨ
）ｎｓロゲン、コバルトピリジル錯体、ポリマー化テト
ラチオフルバレン（ＴＴＦ）、ルテシウムシフタロシア
ニンなどが使用できる。
り、その他一般にエレクトロクロミックを示す無機材料
、例えばＭＯＯ３１Ｖ２０５ 、Ｔｉ０２ｙＩｒ（ＯＨ
）ｎｓロゲン、コバルトピリジル錯体、ポリマー化テト
ラチオフルバレン（ＴＴＦ）、ルテシウムシフタロシア
ニンなどが使用できる。
上記のセンサーの導波路２の一端に光ファイバーｉを接
続するとともにファイバー１の他端を光源ｊに接続し、
また導波路コの他端にも光７アイパーＩＩＢを接続する
ととも（その他端をフォトダイオード等の光検出器乙に
接続して受光量を測定する。
続するとともにファイバー１の他端を光源ｊに接続し、
また導波路コの他端にも光７アイパーＩＩＢを接続する
ととも（その他端をフォトダイオード等の光検出器乙に
接続して受光量を測定する。
上記構造のセンサー１０のＰｄ膜ｌに水素ガスが接
−触するとＰｄ膜ｌの水素還元作用によって電子、ブ
・命（ ウトンが発生し、これらが例えばＷＯ３から成る導波路
２に注入されて下記の反応を生じる。
−触するとＰｄ膜ｌの水素還元作用によって電子、ブ
・命（ ウトンが発生し、これらが例えばＷＯ３から成る導波路
２に注入されて下記の反応を生じる。
、’、Ｅ°Ｗｏ３ ＋ＸＨ＋ ＋ｘｅ−→ＨＸＷＯ３Ｕ
上記反応が進行するとＷＯ３の導波路２が着色して光ｇ
＆収係数が増加する。（１）式左辺のプロトンと電子を
与えるのがＰｄ膜／による水素ガスの還元作用であり、
光吸収係数の増加はプロトンの密度、言水素ガスの濃度
に応じて光導波路２が着色し、導−波路２を透過した後
出射する光の光量が変化するきる。
上記反応が進行するとＷＯ３の導波路２が着色して光ｇ
＆収係数が増加する。（１）式左辺のプロトンと電子を
与えるのがＰｄ膜／による水素ガスの還元作用であり、
光吸収係数の増加はプロトンの密度、言水素ガスの濃度
に応じて光導波路２が着色し、導−波路２を透過した後
出射する光の光量が変化するきる。
次に具体的な数値例を示す。
基板／としてガラス板を使用し、このガラス基板／上に
り７トオ７法によりＷＯ３のリッヂ導波路２を作製する
。具体的にはまず基板面を所定の導波路パターンの開口
を残してマスクで被覆し、その上に厚さ１μｍのＷＯ３
膜を真空蒸着した後マスクを除去する。ＷＯ３は純度９
９．９９％のベレットをアルミナでコートされたｗｍル
ツボを用いて抵抗加熱蒸着する。
り７トオ７法によりＷＯ３のリッヂ導波路２を作製する
。具体的にはまず基板面を所定の導波路パターンの開口
を残してマスクで被覆し、その上に厚さ１μｍのＷＯ３
膜を真空蒸着した後マスクを除去する。ＷＯ３は純度９
９．９９％のベレットをアルミナでコートされたｗｍル
ツボを用いて抵抗加熱蒸着する。
蒸着条件は、酸素圧力／Ｘ１０−’ Ｔｏｒｒ 、イオ
ン、化用高周波電力２００Ｗ、イオン加速電圧−５ｏｏ
ｖで蒸着源と試料間距離を３Ｑｃｍとする。
ン、化用高周波電力２００Ｗ、イオン加速電圧−５ｏｏ
ｖで蒸着源と試料間距離を３Ｑｃｍとする。
試料導度はｌＯＯ″Ｃであり、得られたＷＯ３はアモル
ファスになっており酸素欠陥のために青色を帯びている
。これをり７トオ７したのち、酸素雰囲気ｊＯオンゲス
、トロームの厚さに電子線加熱蒸着法で０．６３２５μ
ｍ）を入光させ、出力側にはＰＩＮ ７オトダイオード
を配置して出力光量を検出し、予め作成しである検量線
から水素濃度を求めたところ、ＩＯへ２０００ ｐｐｍ
の水素ガス濃度範囲で±ｊ％の検出精度が得られた。
ファスになっており酸素欠陥のために青色を帯びている
。これをり７トオ７したのち、酸素雰囲気ｊＯオンゲス
、トロームの厚さに電子線加熱蒸着法で０．６３２５μ
ｍ）を入光させ、出力側にはＰＩＮ ７オトダイオード
を配置して出力光量を検出し、予め作成しである検量線
から水素濃度を求めたところ、ＩＯへ２０００ ｐｐｍ
の水素ガス濃度範囲で±ｊ％の検出精度が得られた。
以上説明した実施例では波長が０．６３２ｇμｍ の可
視光を用いたが、Ｏ１ｇ〜／、５μｍ帯の赤外領域を用
いても同様の効果が得られる。赤外領域を用いる場合は
導波路を構成するＷＯ３は多結晶の方が良い。多結晶の
ＷＯ３を作る方法としては真空蒸着時に基板温度を２ｊ
Ｏ〜３００″Ｃにして蒸着し、その後酸素雰囲気中で３
６０″Ｃ，７時間の熱処理を行なう方法、あるいはアモ
ルファスのＷＯ３を蒸着した後、酸素雰囲気中で３７０
−ダ００”Ｃｚ／時間の熱処理を行なう方法等がある。
視光を用いたが、Ｏ１ｇ〜／、５μｍ帯の赤外領域を用
いても同様の効果が得られる。赤外領域を用いる場合は
導波路を構成するＷＯ３は多結晶の方が良い。多結晶の
ＷＯ３を作る方法としては真空蒸着時に基板温度を２ｊ
Ｏ〜３００″Ｃにして蒸着し、その後酸素雰囲気中で３
６０″Ｃ，７時間の熱処理を行なう方法、あるいはアモ
ルファスのＷＯ３を蒸着した後、酸素雰囲気中で３７０
−ダ００”Ｃｚ／時間の熱処理を行なう方法等がある。
本発明で導波路構造としてはリッヂ型の他埋込み型、平
面型を用いてもよい。
面型を用いてもよい。
り付けてもよい。また、応答性をさらに向上させ本発明
によれば、水素ガスをすべて光の信号だけで検知できる
だけでなく、小型化、高信頼化、耐熱、耐電磁誘導、耐
火、防爆など光のもつすべての利点を生かすことができ
る。石油精製などのプラントでは、石油製品の改質に水
素ガスを多用しており、安全で高信頼性をもつリモート
センシングの要求が高い。しかも光ファイバによるロー
号を電気信号に変換することなく、光だけでセンシング
できる技術は上述の光フアイバローカルルーフ’との整
合性も極めてよい。
によれば、水素ガスをすべて光の信号だけで検知できる
だけでなく、小型化、高信頼化、耐熱、耐電磁誘導、耐
火、防爆など光のもつすべての利点を生かすことができ
る。石油精製などのプラントでは、石油製品の改質に水
素ガスを多用しており、安全で高信頼性をもつリモート
センシングの要求が高い。しかも光ファイバによるロー
号を電気信号に変換することなく、光だけでセンシング
できる技術は上述の光フアイバローカルルーフ’との整
合性も極めてよい。
第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は同正
面図である。
面図である。
Claims (6)
- （１）基板上に設けられた光導波路と、この導波路表面
を覆うように積層された金属薄膜とを備え、前記金属薄
膜を水素ガスを解離吸着する物質で形成するとともに、
前記導波路を、前記金属薄膜で発生する電子、プロトン
を受けることによって光吸収係数が変化する誘電体物質
で形成したことを特徴とする水素検知光センサー。 - （２）特許請求の範囲第１項において、前記金属薄膜は
パラジウム（Ｐｄ）である水素検知センサー。 - （３）特許請求の範囲第１項において、前記金属薄膜は
白金（Ｐｔ）である水素検知光センサー。 - （４）特許請求の範囲第１項において、導波路をＷＯ＿
３で形成した水素検知光センサー。 - （５）特許請求の範囲第１項において、導波路を、Ｍｏ
Ｏ＿３、Ｖ＿２Ｏ＿５、ＴｉＯ＿２、Ｉｒ（ＯＨ）＿ｎ
、Ｒｈ＿２Ｏ＿３・ｘＨ＿２Ｏのうちから選ばれた少な
くとも一種で形成した水素検知光センサー。 - （６）特許請求の範囲第１項において、導波路を、ヘプ
エルビオロゲン、シアノフェニールビオロゲン、コバル
トピリジル錯体、ポリマー化テトラチオフルバレン（Ｔ
ＴＦ）、ルテシウムジフタロシアニンのうちから選ばれ
た少なくとも一種の有機材料で形成した水素検知光セン
サー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60041316A JPS61201140A (ja) | 1985-03-04 | 1985-03-04 | 水素検知光センサ− |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60041316A JPS61201140A (ja) | 1985-03-04 | 1985-03-04 | 水素検知光センサ− |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61201140A true JPS61201140A (ja) | 1986-09-05 |
Family
ID=12605105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60041316A Pending JPS61201140A (ja) | 1985-03-04 | 1985-03-04 | 水素検知光センサ− |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61201140A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06109634A (ja) * | 1992-09-29 | 1994-04-22 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 水素検出器 |
| US5733506A (en) * | 1989-11-08 | 1998-03-31 | British Technology Group, Ltd. | Gas sensors and compounds suitable therefor |
| KR101130686B1 (ko) * | 2009-07-24 | 2012-04-02 | 한국광기술원 | 수소센서, 수소센서의 제작방법 및 그를 이용한 수소 농도 측정 장치 |
| CN103389278A (zh) * | 2012-05-11 | 2013-11-13 | 中国科学院电子学研究所 | 一种固态超薄膜吸收光谱测量方法及相应的光谱测量装置 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6039536A (ja) * | 1983-08-12 | 1985-03-01 | Hochiki Corp | ガスセンサ |
-
1985
- 1985-03-04 JP JP60041316A patent/JPS61201140A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6039536A (ja) * | 1983-08-12 | 1985-03-01 | Hochiki Corp | ガスセンサ |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5733506A (en) * | 1989-11-08 | 1998-03-31 | British Technology Group, Ltd. | Gas sensors and compounds suitable therefor |
| JPH06109634A (ja) * | 1992-09-29 | 1994-04-22 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 水素検出器 |
| KR101130686B1 (ko) * | 2009-07-24 | 2012-04-02 | 한국광기술원 | 수소센서, 수소센서의 제작방법 및 그를 이용한 수소 농도 측정 장치 |
| CN103389278A (zh) * | 2012-05-11 | 2013-11-13 | 中国科学院电子学研究所 | 一种固态超薄膜吸收光谱测量方法及相应的光谱测量装置 |
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