JPH046895B2 - - Google Patents

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JPH046895B2
JPH046895B2 JP59064216A JP6421684A JPH046895B2 JP H046895 B2 JPH046895 B2 JP H046895B2 JP 59064216 A JP59064216 A JP 59064216A JP 6421684 A JP6421684 A JP 6421684A JP H046895 B2 JPH046895 B2 JP H046895B2
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JP
Japan
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thin film
hydrogen
optical waveguide
substrate
light
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JP59064216A
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English (en)
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JPS60209149A (ja
Inventor
Koichi Nishizawa
Tetsuya Yamazaki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Sheet Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nippon Sheet Glass Co Ltd filed Critical Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Publication of JPH046895B2 publication Critical patent/JPH046895B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems 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
    • G01N21/7703Systems 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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  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水素を感知する為の水素感知器に関
するものである。
石油プラント等では、石油製品の改質等の為に
水素が多用されており、安全で且つ信頼性の高い
水素感知器が要求されている。
第1図は、この様な水素感知器の1つの従来例
を示している。この従来例では、誘電体基板1の
一方の表面にSnO2やZnO等の酸化物半導体2が
膜状に配されており、この半導体2に2個の電極
3,4が接続されている。また、基板1の反対側
の表面には、2個の電極5,6に接続されている
ヒータ7が配されている。
水素ガスの様な還元性ガスは、酸化物半導体2
の様なn型半導体に吸着され易い。酸化物半導体
2に水素が吸着されると、この水素と半導体2と
の間で一般に電子の授受が行われ、半導体2の表
面からある深さの所までキヤリア濃度が増加す
る。
すると、半導体2の電気抵抗が減少して、電極
2,3を流れる電流が増加するので、この電流の
変化によつて水素ガスの濃度を知ることができ
る。なお、ヒータ7は、この様な反応を促進する
為のものである。
また、水素感知器の他の従来例として、金属−
半導体接触の整流作用やMOSFETのゲート作用
を利用したものがある。これは、金属と半導体と
の間の電子エネルギー準位差(シヨツトキ障壁)
が水素の吸着によつて変化することを利用したも
のである。
ところが、以上の従来例の様に水素を電気的に
感知しようとすると、爆発の危険性がある為に感
知器からの配線等に対して耐圧防爆等の特別工事
をしなければならず、また電磁誘導によつて誤動
作する可能性もある。
本発明は、これらの問題点に鑑み、安全で且つ
信頼性の高い水素感知器を提供することを目的と
している。
以下、本発明の第1〜第3実施例を第2図〜第
9図を参照しながら説明する。
第2図は、本発明の第1実施例を示している。
この第1実施例では、LiNbO3から成る基板11
中にTiを選択的に熱拡散させることによつて、
単一モード光導波路12が形成されている。
光導波路12は、 n(z)=n0+Δn・exp(−z/d) なる式で表される屈折率n(z)を有している。
ここでn0は、基板11の屈折率であり、2.20であ
る。またΔnは、基板11の表面つまりTiの濃度
が最も高い部分の屈折率=2.30と基板11の屈折
率n0=2.20との差、つまり0.10である。そして、
Zは基板11の表面からの深さであり、dは基板
11との屈折率差がΔn/expとなる深さである
5μmである。
基板11の表面には、2.50の屈折率を有する
WO3の薄膜13が、1000Åの厚さに真空蒸着さ
れている。このWO3の薄膜13は、水素と反応
して吸光係数が変化する性質を有している。第3
図は、薄膜13の表面から基板11の深さ方向へ
の屈折率の変化を示している。
薄膜13の真空蒸着は、アルミナでコートされ
たW線ルツボ中を1×10-5Torr以下の真空状態
にすると共にこのルツボ中で基板11の温度を
100℃に保つて、純度99.999%の粉末WO3を使用
して行つた。真空蒸着されたWO3の薄膜13は、
非晶質であり、比較的短波長の領域の光を吸収す
る様な分光感度を有している。なお、真空蒸着後
に基板11を200℃でアニーリングすることによ
つて、WO3の薄膜13を安定化させた。
薄膜13上には、Pdの薄膜14がスパツタリ
ングによつて500Åの厚さにに積層されている。
このPdの薄膜14は、水素を吸着して、この吸
着した水素を陽子と電子とに分離する触媒作用を
有している。
以下の様な構成を有する水素感知器15の光導
波路12の夫々の端面には、入力用及び出力用の
光フアイバ16,17が接続されている。
次に、水素感知器15の作用について説明す
る。水素感知器15の周囲の水素が薄膜14に吸
着されると、この水素は薄膜14の触媒作用によ
つて陽子と電子とに分離される。分離された陽子
と電子とは更に薄膜13と下記の様に反応し、エ
レクトロクロミツク作用によつてWO3がタング
ステンブロンズとなつて着色し、薄膜13の吸光
係数が増大する。
WO3+xH++xe-→HxWO3 この結果、単一モード光導波路12中を伝播す
る光の内で薄膜13に吸収されるエバネツセント
波の割合が増加し、伝播光量が減少する。従つ
て、薄膜13,14に覆われている光導波路12
の長さを適当な値に設定すれば、伝播光量が十分
に減少して、水素を高感度で感知することができ
る。
第4図は、水素感知器15を適用して実際に水
素を感知する為の装置を示している。水素感知器
15は感知すべき水素ガス雰囲気中に配置されて
おり、入力用の光フアイバ16にはHe−Neレー
ザ18から6328Åの波長を有する単一モードレー
ザ光が入力され、出力用の光フアイバ17には
PINフオトダイオード19が接続されている。
第5図は、水素ガス濃度と伝播光量との関係の
一例を示しており、この様に既知の水素ガス濃度
で予めグラフを作成しておけば、伝播光量から水
素ガス濃度を知ることができる。このグラフの10
〜1000ppmの範囲では、±5%の精度で水素ガス
濃度を知ることができた。
以上の第1実施例では、波長6328Åの可視光を
導波光として用いたが、波長0.8〜1.5μmと比較的
長波長の赤外域の光を用いても同様の効果を得る
ことができる。但し、この場合には比較的長波長
の領域の光を吸収する様な分光感度を有する様
に、薄膜13を形成するWO3は、非晶質よりも
多結晶の方が良い。多結晶WO3の薄膜13を形
成する為には、真空蒸着時に基板11の温度を
250〜300℃に保ち、その後360℃でアニーリング
を行う。
また、薄膜13の材料として、エレクトロクロ
ミツク作用を示すWO3以外の無機材料、例えば
MoO3、V2O5、Tio2、Ir(OH)o、Rh2O3・xH2
等を用いてもよく、薄膜14の材料として、Pd
以外にPt等を用いてもよい。
またこの第1実施例の単一モード光導波路12
は二次元形であるが、埋め込み形やリツジ形等の
三次元形の光導波路を用いても同様の効果を得る
ことができる。
また、光フアイバ16,17を使用せずに、プ
リズム結合器やレンズ等で光導波路12中へ光を
直接に入力したり、非晶質Siの様な光検出器を光
導波路12の出力端へ直接に取り付けてもよい。
以上の様な第1実施例によれば、光学的な作用
のみで水素を感知することができるので、爆発の
危険性や電磁誘導による誤動作がなく、安全で且
つ信頼性の高い水素感知器15を得ることができ
る。
しかも光フアイバによるローカルエリアネツト
ワークが導入されつつあり、光信号を電気信号へ
変換することなく光だけで感知することができる
技術は、上記の光フアイバによるローカルエリア
ネツトワークとの整合性も極めて良い。
第6図は、本発明の第2実施例を示している。
この第2実施例では、1.55の屈折率を有するガラ
スの基板21中に、1.567の屈折率を有する厚さ
2μmの単一モード光導波路22が形成されてい
る。
光導波路22は、電子分極率の大きなイオン、
例えばTlイオンと、ガラス中に含まれている電
子分極率の小さなイオン、例えばKイオンとを、
Tlイオンを含む溶融塩中でイオン交換すること
によつて形成したものである。
基板21上には、1.55の屈折率を有するC7059
と称されるガラスの薄膜23が、スパツタリング
によつて1μmの厚さに積層されている。
薄膜23上には、WO3の薄膜24が2μmの厚
さに積層されている。この薄膜24は、第1実施
例に於ける薄膜13と同様に、基板21の温度を
100℃に保つて真空蒸着を行い、その後200℃でア
ニーリングを行つたものである。第7図は、薄膜
24の表面から基板21の深さ方向への屈折率の
変化を示している。
また、薄膜24上には、Pdの薄膜25がスパ
ツタリングによつて500Åの厚さに積層されてい
る。
この様な第2実施例の水素感知器26では、光
導波路22と薄膜24とが薄膜23によつてエバ
ネツセント波結合されている。この為に、光導波
路22中を伝播する光のエバネツセント波が、薄
膜23を介して薄膜24に吸収される。
薄膜25の触媒作用によつて水素が陽子と電子
とに分離され、この分離された陽子と電子とが薄
膜24と反応すると、6328Åの波長に対する薄膜
24の吸光係数が変化する。
この結果、光導波路22中を伝播する光の量が
減少するので、第1実施例の水素感知器15と同
様に、出力光量を測定することによつて、水素ガ
ス濃度を知ることができる。
第8図は、本発明の第3実施例を示している。
この第3実施例では、2.36〜2.38の屈折率を有す
るZnSの基板31上に、2.43の屈折率を有する厚
さ5μmの薄膜32が付着されている。この薄膜3
2は、2.76の屈折率を有するZnTeと2.3の屈折率
を有するZnSeとの1対2.5混晶を、CVD法で成長
させたものである。
薄膜32上には、ZnTeとZnSeとの1対2混晶
を3μmの厚さに積層させることによつて、1.2μm
の波長に対して2.45の屈折率を有する単一モード
光導波路33が形成されている。
光導波路33上には、1.2μmの波長に対して
2.43の屈折率を有するWO3の薄膜34が、5μmの
厚さに積層されている。この薄膜34は、基板3
1の温度を300℃に保つて真空蒸着を行い、その
後360℃でアニーリングを行つたものである。こ
の結果、WO3の薄膜34は、多結晶化しており、
1.2〜1.5μmの比較的長波長の領域の光を吸収する
様な分光感度を有している。第9図は、薄膜34
の表面から基板31の深さ方向への屈折率の変化
を示している。
また、薄膜34上には、Pdの薄膜35がスパ
ツタリングによつて500Åの厚さに積層されてい
る。
この第3実施例の水素感知器36では、基板3
1と光導波路33との中間の屈折率を有する薄膜
32を、基板31と光導波路33との間に設けて
いるので、光導波路12中を伝播する光の内で薄
膜34に吸収されるエバネツセント波の割合が多
い。
この為に、薄膜34の吸光係数の変化によつ
て、光導波路12中を伝播する光の量が大きく変
化し、水素を高感度で感知することができる。
なお、以上の第1〜第3実施例の何れに於いて
も、WO3の薄膜13,24,34の上にPdの薄
膜14,25,35を積層させたが、WO3の薄
膜13,24,34を水素と直接に反応させる様
にすれば、Pdの薄膜14,25,35は必ずし
も必要ではない。
上述の如く、本発明は、単一モード光導波路を
覆つている薄膜を水素と反応させ、この反応によ
つて薄膜の吸光係数を変化させ、単一モード光導
波路中を伝播する光の量の変化によつて、水素を
光学的に感知する様にしているので、爆発の危険
性や電磁誘導による誤動作がなく、安全で且つ信
頼性の高い水素感知器を提供することができる。
また、光の伝播経路が基板中の光導波路であり、
伝播光量を変化させる薄膜と光の伝播経路とが一
体化されているので、小型で且つ取扱いの容易な
水素感知器を提供することができる。
また、光導波路が単一モード光導波路であり、
光導波路を覆つている薄膜の吸光係数の変化に対
する伝播光量の変化は、単一モード光導波路の方
が多モード光導波路よりも大きい。このため、感
度の高い水素感知器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一従来例を示す概略的な斜視
図である。 第2図は本発明の第1実施例を示す概略的な側
面図、第3図は第1実施例の屈折率を示すグラ
フ、第4図は第1実施例を適用した装置を示す概
略図、第5図は水素ガス濃度と伝播光量との関係
の一例を示すグラフ、第6図は第2実施例を示す
概略的な側面図、第7図は第2実施例の屈折率を
示すグラフ、第8図は第3実施例を示す概略的な
側面図、第9図は第3実施例の屈折率を示すグラ
フである。 なお図面に用いられた符号において、11,2
1,31……基板、12,22,33……単一モ
ード光導波路、13,24,34……薄膜、1
4,25,35……薄膜、15,26,36……
水素感知器である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 透光性の基板と、この基板中に形成されてい
    る単一モード光導波路と、この単一モード光導波
    路を覆う様に前記基板上に配されており且つ水素
    と反応することによつて吸光係数が変化する薄膜
    とを夫々具備し、前記単一モード光導波路中を伝
    播する光の量の変化によつて前記水素を感知する
    様にした水素感知器。
JP59064216A 1984-03-31 1984-03-31 水素感知器 Granted JPS60209149A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP59064216A JPS60209149A (ja) 1984-03-31 1984-03-31 水素感知器

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JP59064216A JPS60209149A (ja) 1984-03-31 1984-03-31 水素感知器

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JPS60209149A JPS60209149A (ja) 1985-10-21
JPH046895B2 true JPH046895B2 (ja) 1992-02-07

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