JPH0481738B2 - - Google Patents
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- JPH0481738B2 JPH0481738B2 JP61011092A JP1109286A JPH0481738B2 JP H0481738 B2 JPH0481738 B2 JP H0481738B2 JP 61011092 A JP61011092 A JP 61011092A JP 1109286 A JP1109286 A JP 1109286A JP H0481738 B2 JPH0481738 B2 JP H0481738B2
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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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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
素ガス濃度を全光式で検知する本質防爆型の光セ
ンサに関する。
素ガス濃度を全光式で検知する本質防爆型の光セ
ンサに関する。
従来、この種の全光式水素検知センサとして第
５図に示すものがある。
５図に示すものがある。
図において、誘電体基板１に光導波路２が形成
してあり、この導波路２は入力用光フアイバ３Ａ
が接続される入力導波路２Ａと、この入力導波路
２ＡからＹ型に２分岐して基板の他端面に至る分
岐導波路２Ｂ，２Ｃで構成され、これら両分岐導
波路２Ｂ，２Ｃの各端面には出力用光フアイバ３
Ｂ，３Ｃがそれぞれ接続される。
してあり、この導波路２は入力用光フアイバ３Ａ
が接続される入力導波路２Ａと、この入力導波路
２ＡからＹ型に２分岐して基板の他端面に至る分
岐導波路２Ｂ，２Ｃで構成され、これら両分岐導
波路２Ｂ，２Ｃの各端面には出力用光フアイバ３
Ｂ，３Ｃがそれぞれ接続される。
そして分岐導波路２Ｂ，２Ｃのうち一方２Ｂが
水素検知用導波路で他方２Ｃが参照光導波路とな
つており、前者導波路２Ｂ上には水素と反応して
光吸収係数が変化する誘電体物質からなる薄膜４
が設けてあり、さらにこの薄膜４上に水素ガスを
解離吸着する金属の薄膜５が積層形成してある。
水素検知用導波路で他方２Ｃが参照光導波路とな
つており、前者導波路２Ｂ上には水素と反応して
光吸収係数が変化する誘電体物質からなる薄膜４
が設けてあり、さらにこの薄膜４上に水素ガスを
解離吸着する金属の薄膜５が積層形成してある。
上記のセンサにおいて、導波路２Ｂを伝搬する
光はこの導波路内にほとんど閉じ込められている
が一部はエバネツセント光として誘電体薄膜４の
部分に浸み出している。
光はこの導波路内にほとんど閉じ込められている
が一部はエバネツセント光として誘電体薄膜４の
部分に浸み出している。
表面薄膜５に水素ガスが接触すると水素はこの
薄膜により解離吸着され、この解離水素が下地膜
４と反応して地下膜４が着色し、前記エバネツセ
ント光が膜４中で吸収を受けて減衰し、出力用光
フアイバ３Ｂへの出射光量が減少する。したがつ
てこの出射光量と、上記薄膜の設けられていない
分岐導波路２Ｃから出射される参照光の光量とを
比較することによつてその光量差変化量から水素
ガス濃度を検知することができる。
薄膜により解離吸着され、この解離水素が下地膜
４と反応して地下膜４が着色し、前記エバネツセ
ント光が膜４中で吸収を受けて減衰し、出力用光
フアイバ３Ｂへの出射光量が減少する。したがつ
てこの出射光量と、上記薄膜の設けられていない
分岐導波路２Ｃから出射される参照光の光量とを
比較することによつてその光量差変化量から水素
ガス濃度を検知することができる。
上述した従来の全光式水素検知センサでは、光
フアイバが最低限導波路の入力側１本と出力側２
本の計３本必要であり、しかもそれら光フアイバ
が導波路の対向側面にそれぞれ位置するため、実
際に各種プラントや装置に装着する際、光フアイ
バの保護、保持に複雑な手段が必要となり、敷設
および保守の作業性が悪いという欠点があつた。
フアイバが最低限導波路の入力側１本と出力側２
本の計３本必要であり、しかもそれら光フアイバ
が導波路の対向側面にそれぞれ位置するため、実
際に各種プラントや装置に装着する際、光フアイ
バの保護、保持に複雑な手段が必要となり、敷設
および保守の作業性が悪いという欠点があつた。
基板に形成した光導波路の側部に、水素と反応
することによつて光吸収係数が変化する誘電体薄
膜を積層形成するとともに、該薄膜表面を水素ガ
スを解離吸着する金属薄膜で被覆し、且つ前記導
波路の一方の端面に密着して反射体を設けるとと
もに、他方の端面に入出力用光フアイバを接続し
て水素検知センサを構成した。
することによつて光吸収係数が変化する誘電体薄
膜を積層形成するとともに、該薄膜表面を水素ガ
スを解離吸着する金属薄膜で被覆し、且つ前記導
波路の一方の端面に密着して反射体を設けるとと
もに、他方の端面に入出力用光フアイバを接続し
て水素検知センサを構成した。
上記構成のセンサにおいて、入出力用光フアイ
バを通して導波路内に光を入射させると、伝搬光
は導波路内を伝搬した後、他端に設けられた反射
体で反射され、同一の導波路を戻つて再び入出力
用光フアイバに出射する。そして水素ガスが吸着
すると導波路上の薄膜が着色し、導波路から浸み
出して上記薄膜を通るエバネツセント光が導波路
の往復伝搬時に減衰する。
バを通して導波路内に光を入射させると、伝搬光
は導波路内を伝搬した後、他端に設けられた反射
体で反射され、同一の導波路を戻つて再び入出力
用光フアイバに出射する。そして水素ガスが吸着
すると導波路上の薄膜が着色し、導波路から浸み
出して上記薄膜を通るエバネツセント光が導波路
の往復伝搬時に減衰する。
このようにして、従来のものに比べ、同一長の
導波路素子で実質的に２倍長の検出導波路を設け
たのと等価となり、それだけ検出感度を良好にで
きるとともに、反射体を設けたことにより、単一
の光フアイバ接続のみで済むので装置全体の大き
さを小型化でき、また組立て、設置、保守作業が
非常に容易になる。
導波路素子で実質的に２倍長の検出導波路を設け
たのと等価となり、それだけ検出感度を良好にで
きるとともに、反射体を設けたことにより、単一
の光フアイバ接続のみで済むので装置全体の大き
さを小型化でき、また組立て、設置、保守作業が
非常に容易になる。
以下本発明を図面に示した実施例について詳細
に説明する。
に説明する。
第１図、第２図において１０は使用波長に対し
て透明な基板であり、この基板１０中に直線状の
単一の光導波路１１が埋め込み形成してある。
て透明な基板であり、この基板１０中に直線状の
単一の光導波路１１が埋め込み形成してある。
この導波路１１は、例えばLiNbO3からなる基
板１０にTiを熱拡散させたり、あるいはガラス
基板１０にガラスの屈折率増大に寄与するTl等
の一価陽イオンをイオン交換拡散する方法等で形
成することができる。光導波路１１の上部には導
波路のほぼ全長にわたり、且つ導波路の全幅を少
なくと覆うように光吸収層１２が設けてあり、さ
らにこの光吸収層１２上に水素吸着層１３が積層
形成してある。水素吸着層１３は、水素ガスを吸
着・解離して電子、プロトンを発生させる物質か
ら成り、光吸収層１２は上記の電子、プロトンを
受けて光吸収係数が変化する物質からなる。
板１０にTiを熱拡散させたり、あるいはガラス
基板１０にガラスの屈折率増大に寄与するTl等
の一価陽イオンをイオン交換拡散する方法等で形
成することができる。光導波路１１の上部には導
波路のほぼ全長にわたり、且つ導波路の全幅を少
なくと覆うように光吸収層１２が設けてあり、さ
らにこの光吸収層１２上に水素吸着層１３が積層
形成してある。水素吸着層１３は、水素ガスを吸
着・解離して電子、プロトンを発生させる物質か
ら成り、光吸収層１２は上記の電子、プロトンを
受けて光吸収係数が変化する物質からなる。
上記の吸着層１３の材質としてはパラジウム
（Pd）あるいは白金（Pt）が好適である。
（Pd）あるいは白金（Pt）が好適である。
また、光吸収層１２を形成する物質としては
WO3好適であり、その他一般にエレクトロクロ
ミツクを示す無機材料、例えばM0O3、V2O5、
TiO2、Ir（OH）o、Rh2O3・XH2Oなどが使用可能
である。
WO3好適であり、その他一般にエレクトロクロ
ミツクを示す無機材料、例えばM0O3、V2O5、
TiO2、Ir（OH）o、Rh2O3・XH2Oなどが使用可能
である。
また光吸収層１２は有機材料で構成してもよ
く、例えばヘプエルビオロゲン、シアノフエニー
ルビオロゲン、コバルトビリジル錯体、ポリマー
化テトラチオフルバレン（TTF）、ルテシウムジ
フタロシアニンなどが使用できる。
く、例えばヘプエルビオロゲン、シアノフエニー
ルビオロゲン、コバルトビリジル錯体、ポリマー
化テトラチオフルバレン（TTF）、ルテシウムジ
フタロシアニンなどが使用できる。
そして基板１０の一方の端面１０Ａに露出して
いる光導波路１１の端面１１Ａには反射体１４が
密着して設けてある。この反射体１４は例えば
Al、Ag等の高反射金属膜を上記面に蒸着、スパ
ツタリング等で付着することにより形成される。
あるいは別途の基材面に反射膜を設けたものを導
波路端面に接合して形成してもよい。また誘電体
反射膜も使用できる。また光導波路１１の他方の
端面１１Ｂには、入出力兼用の光フアイバ１５が
光学的に接続されている。上記構成の水素検知セ
ンサ２０において、光フアイバ１５を通じて伝送
光を光導波路１１内に入射させると、光導波路１
１内を伝搬した後、他端の反射体１４で伝搬光が
全量反射され、光導波路１１を再び帰還して光フ
アイバ１５に出射する。
いる光導波路１１の端面１１Ａには反射体１４が
密着して設けてある。この反射体１４は例えば
Al、Ag等の高反射金属膜を上記面に蒸着、スパ
ツタリング等で付着することにより形成される。
あるいは別途の基材面に反射膜を設けたものを導
波路端面に接合して形成してもよい。また誘電体
反射膜も使用できる。また光導波路１１の他方の
端面１１Ｂには、入出力兼用の光フアイバ１５が
光学的に接続されている。上記構成の水素検知セ
ンサ２０において、光フアイバ１５を通じて伝送
光を光導波路１１内に入射させると、光導波路１
１内を伝搬した後、他端の反射体１４で伝搬光が
全量反射され、光導波路１１を再び帰還して光フ
アイバ１５に出射する。
上記の吸着層１３に水素ガスが接触すると解離
吸着されて、この解離水素と光吸収層１２が反応
し吸収層１２の光吸収係数が増加する。
吸着されて、この解離水素と光吸収層１２が反応
し吸収層１２の光吸収係数が増加する。
例えば光吸収層１２としてWO3を使用した場
合は、当初透明であつたものがタングステンブロ
ンズに着色する。これにより、光導波路１１を伝
搬している導波光のエバネツセント光部分が光吸
収層１２で吸収を受けて減衰する。この光吸収減
衰は導波路１１内を反射体１４に向けて進行する
とき、反射体１４で反射されて光フアイバ１５に
向けて帰還するときの往復で生じ、したがつて比
較的短距離の導波路１１であつても、あるいは水
素ガスの濃度が低い場合でも充分な光量減衰が生
じる。
合は、当初透明であつたものがタングステンブロ
ンズに着色する。これにより、光導波路１１を伝
搬している導波光のエバネツセント光部分が光吸
収層１２で吸収を受けて減衰する。この光吸収減
衰は導波路１１内を反射体１４に向けて進行する
とき、反射体１４で反射されて光フアイバ１５に
向けて帰還するときの往復で生じ、したがつて比
較的短距離の導波路１１であつても、あるいは水
素ガスの濃度が低い場合でも充分な光量減衰が生
じる。
このようにして、光フアイバ１５の他端側に受
光素子を接続し受光量変化を計測することにより
センサ配置箇所での水素ガスの発生およびその濃
度を検出することができる。
光素子を接続し受光量変化を計測することにより
センサ配置箇所での水素ガスの発生およびその濃
度を検出することができる。
第４図に本発明のセンサの他の構造例を示す。
本例では、センサの耐湿性を高めるため、水素吸
着層１３の外側に、両層１２，１３全体を覆うよ
うに、耐候性に優れた物質の被膜から成る水素選
択透過膜１６を設けたものであり、この選択透過
膜１６は水素を選択的に透過させるとともに、水
蒸気の透過は阻止し得る程度のミクロな孔径をも
つた被膜であり、例えばSiO2を電子線加熱蒸着
法で500オングストローム程度の厚みで付着させ
ることにより形成することができる。
本例では、センサの耐湿性を高めるため、水素吸
着層１３の外側に、両層１２，１３全体を覆うよ
うに、耐候性に優れた物質の被膜から成る水素選
択透過膜１６を設けたものであり、この選択透過
膜１６は水素を選択的に透過させるとともに、水
蒸気の透過は阻止し得る程度のミクロな孔径をも
つた被膜であり、例えばSiO2を電子線加熱蒸着
法で500オングストローム程度の厚みで付着させ
ることにより形成することができる。
第３図に本発明に係るセンサを用いた水素検知
システムの一例を示す。
システムの一例を示す。
同図において、発光装置３１からの光は入力光
フアイバ３２を通つて方向性結合器３３に入り、
ここで一部の光が入出力用光フアイバ１５へ、ま
た残りの光がモニター光フアイバ３７に伝送され
る。入出力用光フアイバ１５を伝搬する光は反射
型水素検知センサ２０に達し、水素ガス濃度に応
じた減衰を受け、再び入出力用光フアイバ１５を
通つて方向性結合器３３へ戻り、一部分の光が出
力光フアイバ３６に達する。出力光フアイバ３６
からの光と、モニター光フアイバ３７からの光は
それぞれ受光装置３８，３９で電気信号に変換さ
れ演算装置４０で比較される。
フアイバ３２を通つて方向性結合器３３に入り、
ここで一部の光が入出力用光フアイバ１５へ、ま
た残りの光がモニター光フアイバ３７に伝送され
る。入出力用光フアイバ１５を伝搬する光は反射
型水素検知センサ２０に達し、水素ガス濃度に応
じた減衰を受け、再び入出力用光フアイバ１５を
通つて方向性結合器３３へ戻り、一部分の光が出
力光フアイバ３６に達する。出力光フアイバ３６
からの光と、モニター光フアイバ３７からの光は
それぞれ受光装置３８，３９で電気信号に変換さ
れ演算装置４０で比較される。
次に本発明の具体的な数値例を示すと、基板１
０としてLiNbO3を用い、これにTiを熱拡散させ
て光導波路１１を形成し、基板１０の両端面を導
波路に対して直角に研磨した後、導波路端面に反
射体１４としてアルミニウムを1000オングストロ
ームの厚さに真空蒸着した。また導波路１１上に
光吸収層１２としてWO3薄膜を1μｍの厚さに真
空蒸着した。WO3は純度99.99％のペレツトを用
い、アルミナでコートされたＷ線ルツボを用いて
抵抗加熱蒸発させてイオンプレーテイングした。
蒸着条件は、酸素圧力１×10-4Torr、イオン化
用高周波電力200W、イオン加速電圧−500Vとし
た。蒸着時の基板温度は常温であり、得られた
WO3膜はアモルフアスになつており無色透明で
あつた。
０としてLiNbO3を用い、これにTiを熱拡散させ
て光導波路１１を形成し、基板１０の両端面を導
波路に対して直角に研磨した後、導波路端面に反
射体１４としてアルミニウムを1000オングストロ
ームの厚さに真空蒸着した。また導波路１１上に
光吸収層１２としてWO3薄膜を1μｍの厚さに真
空蒸着した。WO3は純度99.99％のペレツトを用
い、アルミナでコートされたＷ線ルツボを用いて
抵抗加熱蒸発させてイオンプレーテイングした。
蒸着条件は、酸素圧力１×10-4Torr、イオン化
用高周波電力200W、イオン加速電圧−500Vとし
た。蒸着時の基板温度は常温であり、得られた
WO3膜はアモルフアスになつており無色透明で
あつた。
さらにこの上に吸着層１３としてPdを100オン
グストロームの厚さに電子線加熱蒸着法で付着さ
せた。
グストロームの厚さに電子線加熱蒸着法で付着さ
せた。
上記のセンサを第３図に示した計測システムに
組み込み、水素ガス濃度を測定したところ、20〜
2000ppmの濃度範囲を±５％の精度で測定可能で
あつた。
組み込み、水素ガス濃度を測定したところ、20〜
2000ppmの濃度範囲を±５％の精度で測定可能で
あつた。
本発明によれば、水素検知センサと測定系とを
単一の光フアイバで接続できるので経済的であ
り、また設置、保守の作業性も良好になる。
単一の光フアイバで接続できるので経済的であ
り、また設置、保守の作業性も良好になる。
さらに導波路の往および復の両伝搬過程で光吸
収減衰を受けるため、従来構造に比べ素子を小型
化できると同時に、同一の大きさの素子で検知感
度を大幅に向上させることができる。
収減衰を受けるため、従来構造に比べ素子を小型
化できると同時に、同一の大きさの素子で検知感
度を大幅に向上させることができる。
また、導波路のパターンも単純な単一直線路で
あつても充分な検出感度が得られるため、製造も
容易である。
あつても充分な検出感度が得られるため、製造も
容易である。
第１図は本発明の一実施例を示す側断面図、第
２図は同平面図、第３図は本発明のセンサを組み
込んだ全光式の水素検知システムの一例を示すブ
ロツク図、第４図は本発明の他の実施例を示す横
断面図、第５図は従来の水素検知センサを示す斜
視図である。 １０……基板、１１……光導波路、１２……光
吸収層、１３……吸着層、１４……反射体、１５
……入出力用光フアイバ、１６……水素選択透過
保護被膜、２０……水素検知光センサ、３１……
発光装置、３２，３６，３７……光フアイバ、３
３……方向性結合器、３８，３９……受光装置、
４０……演算装置。
２図は同平面図、第３図は本発明のセンサを組み
込んだ全光式の水素検知システムの一例を示すブ
ロツク図、第４図は本発明の他の実施例を示す横
断面図、第５図は従来の水素検知センサを示す斜
視図である。 １０……基板、１１……光導波路、１２……光
吸収層、１３……吸着層、１４……反射体、１５
……入出力用光フアイバ、１６……水素選択透過
保護被膜、２０……水素検知光センサ、３１……
発光装置、３２，３６，３７……光フアイバ、３
３……方向性結合器、３８，３９……受光装置、
４０……演算装置。
Claims (1)
- １ 基板に形成した光導波路の上部に、水素と反
応することによつて光吸収係数が変化する誘電体
薄膜を積層形成するとともに、該薄膜表面を水素
ガスを解離吸着する金属薄膜で被覆し、且つ前記
導波路の一方の端面に密着して反射体を設けると
ともに、他方の端面に入出力用光フアイバを接続
したことを特徴とする反射型水素検知光センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61011092A JPS62170838A (ja) | 1986-01-23 | 1986-01-23 | 反射型水素検知光センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61011092A JPS62170838A (ja) | 1986-01-23 | 1986-01-23 | 反射型水素検知光センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62170838A JPS62170838A (ja) | 1987-07-27 |
| JPH0481738B2 true JPH0481738B2 (ja) | 1992-12-24 |
Family
ID=11768348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61011092A Granted JPS62170838A (ja) | 1986-01-23 | 1986-01-23 | 反射型水素検知光センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62170838A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005054458A1 (ja) * | 2003-12-03 | 2005-06-16 | Hitachi High-Technologies Corporation | 核酸分析方法、核酸分析用セル、および核酸分析装置 |
| JP2010515022A (ja) * | 2006-12-20 | 2010-05-06 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | 検出システム |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0197249U (ja) * | 1987-12-21 | 1989-06-28 | ||
| EP1291642A1 (en) * | 2001-09-05 | 2003-03-12 | Linde Medical Sensors AG | Sensor system comprising an integrated optical waveguide for the detection of chemical substances |
| DE102006054165B3 (de) * | 2006-11-16 | 2008-04-17 | Tyco Electronics Raychem Gmbh | Langzeitstabile optische Sensoranordnung, insbesondere Wasserstoffsensor, und kombinierte Gassensoranordnung |
-
1986
- 1986-01-23 JP JP61011092A patent/JPS62170838A/ja active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005054458A1 (ja) * | 2003-12-03 | 2005-06-16 | Hitachi High-Technologies Corporation | 核酸分析方法、核酸分析用セル、および核酸分析装置 |
| JP2010515022A (ja) * | 2006-12-20 | 2010-05-06 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | 検出システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62170838A (ja) | 1987-07-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |