JPS61207950A - 水素検知光センサ− - Google Patents
水素検知光センサ−Info
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- JPS61207950A JPS61207950A JP60048385A JP4838585A JPS61207950A JP S61207950 A JPS61207950 A JP S61207950A JP 60048385 A JP60048385 A JP 60048385A JP 4838585 A JP4838585 A JP 4838585A JP S61207950 A JPS61207950 A JP S61207950A
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- JP
- Japan
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- light
- layer
- hydrogen
- waveguide
- groove
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-
- 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。
ら
水素を検出するセンサーとして従来、第ゐ図に示すよう
に絶縁体基板ｉｏｏ上に５ｎ０２やＺｎＯなどの酸化物
半導体層１０／およびこの半導体層１０／上にｒＨＪ隔
をおいて対向させた一対の電極１０２Ａｅ１０２Ｂを設
け、裏面側に加熱用ヒーター１０Ｊと加熱用電極ＩＯ’
ｌを配した半導体センサーｌＯｊが知られている。
に絶縁体基板ｉｏｏ上に５ｎ０２やＺｎＯなどの酸化物
半導体層１０／およびこの半導体層１０／上にｒＨＪ隔
をおいて対向させた一対の電極１０２Ａｅ１０２Ｂを設
け、裏面側に加熱用ヒーター１０Ｊと加熱用電極ＩＯ’
ｌを配した半導体センサーｌＯｊが知られている。
上記の半導体センサーｌＯｊ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に流れる電流が増加する。また反応速度を
上げるために、基板裏面のヒーター１０３に通電して基
板１００を高温度に保持する。
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に流れる電流が増加する。また反応速度を
上げるために、基板裏面のヒーター１０３に通電して基
板１００を高温度に保持する。
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。
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検知セン
サーは、常温下では反応速度が遅いため、通常３ｊＯ°
Ｃ程度に加熱して使用しなければならず、加熱用ヒータ
ーの組み込みを必要する。
サーは、常温下では反応速度が遅いため、通常３ｊＯ°
Ｃ程度に加熱して使用しなければならず、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問題が
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な防爆化する特別
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問題が
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な防爆化する特別
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。
基板中に光導波路を設け、この光導波路の基板側縁に露
出する端面または導波路中間部に横断切り込みを入れて
形成した分断端面に、解離水素と反応して光吸収係数が
変化する物質、例えば酸化タングステン（ＷＯ３）から
成る光吸収層と、この層上に積層して、水素を吸着解離
する物質、例えばパラジウム（Ｐｄ）から成る水素吸着
層とを設けてセンサーを構成する。
出する端面または導波路中間部に横断切り込みを入れて
形成した分断端面に、解離水素と反応して光吸収係数が
変化する物質、例えば酸化タングステン（ＷＯ３）から
成る光吸収層と、この層上に積層して、水素を吸着解離
する物質、例えばパラジウム（Ｐｄ）から成る水素吸着
層とを設けてセンサーを構成する。
作 用〕
に水素ガスが吸着すると解離されて電子およびプロトン
が発生して上記層下にある光吸収層に侵入し、この結果
光吸収層の光吸収係数が変化するので、導波路で伝送さ
れた後これら層を通過して出射する光量が変化する。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、受光量の変化量
がら上記センサー付近に存在する水素ガスの濃度を検出
することができる。
が発生して上記層下にある光吸収層に侵入し、この結果
光吸収層の光吸収係数が変化するので、導波路で伝送さ
れた後これら層を通過して出射する光量が変化する。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、受光量の変化量
がら上記センサー付近に存在する水素ガスの濃度を検出
することができる。
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。
する。
第１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り、この基板ｌ
中に光導波路コが埋め込み形成しである。
ラス、プラスチック等から成る基板であり、この基板ｌ
中に光導波路コが埋め込み形成しである。
光導波路２は、これに接続されるファイバーのコア径と
略同−径の断面円形で、屈折率が中心軸上で最大で周辺
に向けてバラポリツクに漸減する屈折率分布をもってい
る。このような屈折率勾配る。
略同−径の断面円形で、屈折率が中心軸上で最大で周辺
に向けてバラポリツクに漸減する屈折率分布をもってい
る。このような屈折率勾配る。
上記のような光導波路−を埋め込み形成した基板ｌに、
上記導波路２を中間箇所で分断する如く、導波路の光軸
に直交する方向に延びる微小幅の切込み溝３が設けであ
る。この溝３は基板表面がら導波路２の下端よりも下方
まで切り込んである。
上記導波路２を中間箇所で分断する如く、導波路の光軸
に直交する方向に延びる微小幅の切込み溝３が設けであ
る。この溝３は基板表面がら導波路２の下端よりも下方
まで切り込んである。
そして、光導波路２の分断端面２Ｃが露出している溝３
の一方の側壁３Ａ上に、解離水素と反応して光吸収係数
が変化する物質の薄膜からなる光吸収層ｑが設けてあり
、さらにこの光吸収層ｌ上に積層して、水素を吸着解離
する物質の薄膜からなる水素吸着層ｊが設けである。つ
まり光導波路２の一方の分断端面２Ｃが上記両層り、！
で被覆されている。
の一方の側壁３Ａ上に、解離水素と反応して光吸収係数
が変化する物質の薄膜からなる光吸収層ｑが設けてあり
、さらにこの光吸収層ｌ上に積層して、水素を吸着解離
する物質の薄膜からなる水素吸着層ｊが設けである。つ
まり光導波路２の一方の分断端面２Ｃが上記両層り、！
で被覆されている。
上記の水素吸着層ｊの材質としてはパラジウムあるいは
白金が好適である。また光吸収層ｌ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ＭＯＯ３，Ｖ２Ｏ５＋ＴｉＯ２，Ｉｒ（
ＯＨ）ｎ、Ｒｈ２Ｏ３・ＸＨ２Ｏなどが使用可能である
。
白金が好適である。また光吸収層ｌ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ＭＯＯ３，Ｖ２Ｏ５＋ＴｉＯ２，Ｉｒ（
ＯＨ）ｎ、Ｒｈ２Ｏ３・ＸＨ２Ｏなどが使用可能である
。
また光吸収層ｔは有機材料で構成してもよく、例エハヘ
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（
ＴＴＦ）、ルテシウムシフタロシアニンなどが使用でき
る。
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（
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４Ａを
接続するとともにファイバー４Ａの他端を光源７に接続
し、また導波路λの他端にも光ファイバー６Ｂを接続す
るとともにその他端をフォトダイオード等の光検出器ざ
に接続して受光量を測定する。上記構造のセンサー１０
の例えばＰ（１膜からなる吸着層ＳＶｃ水素ガスが接触
するとＰｄ膜ｊの水素還元作用によって電子、プロトン
が発生し、これらが例えばＷＯ３から成る光吸収層ｔに
注入されて下記の反応を生じる。
接続するとともにファイバー４Ａの他端を光源７に接続
し、また導波路λの他端にも光ファイバー６Ｂを接続す
るとともにその他端をフォトダイオード等の光検出器ざ
に接続して受光量を測定する。上記構造のセンサー１０
の例えばＰ（１膜からなる吸着層ＳＶｃ水素ガスが接触
するとＰｄ膜ｊの水素還元作用によって電子、プロトン
が発生し、これらが例えばＷＯ３から成る光吸収層ｔに
注入されて下記の反応を生じる。
ＷＯ３＋ＸＨ十＋Ｘｅ−−＋ ＨＸＷＯ３（ｍｌ上記反
応が進行するとＷＯ３の光吸収層グが着色して光吸収係
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Ｓによる水素ガスの還元作２／を通ってきた
光が溝３の箇所で他方の分断光路２λに入射する際に、
吸収層ψで吸収を受は減衰して導波路−からの出射光量
が減少するので、この受光量゛の変化量を測定すれば、
予め既知の水素ガス濃度と受光量との関係を測定して作
成した検量線から水素ガス濃度を知ることができる。
応が進行するとＷＯ３の光吸収層グが着色して光吸収係
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Ｓによる水素ガスの還元作２／を通ってきた
光が溝３の箇所で他方の分断光路２λに入射する際に、
吸収層ψで吸収を受は減衰して導波路−からの出射光量
が減少するので、この受光量゛の変化量を測定すれば、
予め既知の水素ガス濃度と受光量との関係を測定して作
成した検量線から水素ガス濃度を知ることができる。
側壁３に、３Ｂ上に設けてもよい。また、光吸収層ｌと
吸着層５を設けた溝３はｌケ所のみでなく、導波路２の
光軸方向に間隔をおいて複数箇所に設けてもよい。溝３
の側壁３Ａ上に光吸収層ｌおよび吸着層５を形成するに
当っては第３図に示すように、蒸着１１ｉＪ９に対して
、基板ｌの溝３の開口側を対向させるとともに、基板ｌ
を傾斜保持して蒸着を行なうのが好適である。
吸着層５を設けた溝３はｌケ所のみでなく、導波路２の
光軸方向に間隔をおいて複数箇所に設けてもよい。溝３
の側壁３Ａ上に光吸収層ｌおよび吸着層５を形成するに
当っては第３図に示すように、蒸着１１ｉＪ９に対して
、基板ｌの溝３の開口側を対向させるとともに、基板ｌ
を傾斜保持して蒸着を行なうのが好適である。
次に具体的な数値例を示す。
まず、前述したイオン交換法によってガラス基板内の表
面直下に、断面が円形で直径約ｊｏμｍの屈折率勾配を
もった光導波路を形成した後、この光導波路を横断して
幅が２０μｍで深さが導波路下端よりも深い溝をダイシ
ングソーで切り込み形成した。そして、導波路の分断端
面が露出している上記溝の一方の側壁面に、光吸収層ダ
としてＷＯ３膜を／／ｊｍの厚さに真空蒸着した。
面直下に、断面が円形で直径約ｊｏμｍの屈折率勾配を
もった光導波路を形成した後、この光導波路を横断して
幅が２０μｍで深さが導波路下端よりも深い溝をダイシ
ングソーで切り込み形成した。そして、導波路の分断端
面が露出している上記溝の一方の側壁面に、光吸収層ダ
としてＷＯ３膜を／／ｊｍの厚さに真空蒸着した。
ＷＯ３は純度９９．９９％のペレットをアルミナでコー
岬１着条件は、酸素圧力／Ｘ ／ ０−４ Ｔｏｒｒ
、イオン化用高周波電力２００Ｖｉ、イオン加速電圧−
５ｏｏｖとを１０ｏＸの厚さに電子線加熱蒸着法で付着
させた。
岬１着条件は、酸素圧力／Ｘ ／ ０−４ Ｔｏｒｒ
、イオン化用高周波電力２００Ｖｉ、イオン加速電圧−
５ｏｏｖとを１０ｏＸの厚さに電子線加熱蒸着法で付着
させた。
上記のようにして作製したセンサーに入力用光ファイバ
ーおよび出力用光ファイバーを接続し、センサーを検出
すべき雰囲気中に設置し、入力用ファイバーからＬＥＤ
光（波長へ３μｍ）を入力し、出力側には光検出器を設
置して出力光量を測定した結果、１１０−２０００ｐｐ
の水素ガス濃度範囲を士ｊ％の精度で測定することがで
きた。
ーおよび出力用光ファイバーを接続し、センサーを検出
すべき雰囲気中に設置し、入力用ファイバーからＬＥＤ
光（波長へ３μｍ）を入力し、出力側には光検出器を設
置して出力光量を測定した結果、１１０−２０００ｐｐ
の水素ガス濃度範囲を士ｊ％の精度で測定することがで
きた。
上記実施例ではイオン交換法によって光導波路を形成し
ているが、これ以外にＧＶＤ法で導波路を形成した石英
ガラスやチタン熱拡散したニオブ酸リチウムやタンタル
酸リチウム、さらにはプラスチック材であってもよい。
ているが、これ以外にＧＶＤ法で導波路を形成した石英
ガラスやチタン熱拡散したニオブ酸リチウムやタンタル
酸リチウム、さらにはプラスチック材であってもよい。
また光導波路２は、第ｑ図に示すように基板ｌに設けた
７アイパー固定溝／２に光ファイバー６を埋め込み接着
固定して形成してもよい。さらに、光吸収層りおよび吸
着層ｊは、上述実施例のように光導波路２を中間で分断
する溝内に設ける以外に、基板側縁に露出する導波路端
面ｕＡ、２Ｂの一方または両方を覆うように設けて上記
分断溝を省略することもできる。
７アイパー固定溝／２に光ファイバー６を埋め込み接着
固定して形成してもよい。さらに、光吸収層りおよび吸
着層ｊは、上述実施例のように光導波路２を中間で分断
する溝内に設ける以外に、基板側縁に露出する導波路端
面ｕＡ、２Ｂの一方または両方を覆うように設けて上記
分断溝を省略することもできる。
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りモートセンシングの要求が高い。
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り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カルループが計測システム
の中にも導入されてきており、信号伝送という意味では
情報も測定データも同等に扱われる傾向にある。したが
って光信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プ
との整合性も極めてよい。
の中にも導入されてきており、信号伝送という意味では
情報も測定データも同等に扱われる傾向にある。したが
って光信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プ
との整合性も極めてよい。
また本発明によれば、１枚の大型基板に多数の埋込み型
導波路を作製しておけば集積回路と同様の製作工程で多
数の水素検知光センサ−チップを効率良く製造でき量産
性、経済性に優れている。
導波路を作製しておけば集積回路と同様の製作工程で多
数の水素検知光センサ−チップを効率良く製造でき量産
性、経済性に優れている。
第１図は本発明の実施例を示す側断面図、第２図は同平
面図、第３図は第１図、第２図実施例で構内に光吸収層
および水素吸着層を蒸着する方法の一例を示す断面図、
第１Ｉ図は本発明の他の実施例を示す平面図、第５図は
従来の水素検知センサーを示す斜視図である。
面図、第３図は第１図、第２図実施例で構内に光吸収層
および水素吸着層を蒸着する方法の一例を示す断面図、
第１Ｉ図は本発明の他の実施例を示す平面図、第５図は
従来の水素検知センサーを示す斜視図である。
Claims (1)
- 基板中に設けた光導波路の基板側縁に露出する端面また
は導波路中間部に横断切り込みを入れて形成した分断端
面に、解離水素と反応して光吸収係数が変化する物質か
ら成る光吸収層と、この層上に積層して、水素を吸着解
離する物質からなる水素吸着層とを設けたことを特徴と
する水素検知光センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60048385A JPS61207950A (ja) | 1985-03-13 | 1985-03-13 | 水素検知光センサ− |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60048385A JPS61207950A (ja) | 1985-03-13 | 1985-03-13 | 水素検知光センサ− |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61207950A true JPS61207950A (ja) | 1986-09-16 |
| JPH0210375B2 JPH0210375B2 (ja) | 1990-03-07 |
Family
ID=12801834
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60048385A Granted JPS61207950A (ja) | 1985-03-13 | 1985-03-13 | 水素検知光センサ− |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61207950A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63307335A (ja) * | 1987-05-22 | 1988-12-15 | アメリカン テレフォン アンド テレグラフ カムパニー | 広域センサ、広域検出方法及びその装置 |
| JPH0197249U (ja) * | 1987-12-21 | 1989-06-28 | ||
| JPH01253636A (ja) * | 1988-04-02 | 1989-10-09 | Dowa Mining Co Ltd | アルコール類濃度測定方法 |
| JPH06242008A (ja) * | 1993-02-10 | 1994-09-02 | Draegerwerk Ag | ガス混合物のガス状成分及び／又は蒸気状成分の比色検出のための装置 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60209149A (ja) * | 1984-03-31 | 1985-10-21 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | 水素感知器 |
-
1985
- 1985-03-13 JP JP60048385A patent/JPS61207950A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60209149A (ja) * | 1984-03-31 | 1985-10-21 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | 水素感知器 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63307335A (ja) * | 1987-05-22 | 1988-12-15 | アメリカン テレフォン アンド テレグラフ カムパニー | 広域センサ、広域検出方法及びその装置 |
| JPH0197249U (ja) * | 1987-12-21 | 1989-06-28 | ||
| JPH01253636A (ja) * | 1988-04-02 | 1989-10-09 | Dowa Mining Co Ltd | アルコール類濃度測定方法 |
| JPH06242008A (ja) * | 1993-02-10 | 1994-09-02 | Draegerwerk Ag | ガス混合物のガス状成分及び／又は蒸気状成分の比色検出のための装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0210375B2 (ja) | 1990-03-07 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |