JPS61201143A - 水素ガスセンサー - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はガスセンサーの耐久性を向上する技術に関する
。

〔従来技術の説明〕

以下水素ガスセンサーを例にとり説明する。

水素ガスセンサーとしては大別すると電気式のものと光
学式のものがあり、電気式のものでは絶縁体基板上にｓ
ｎ○２やＺｎＯなどの酸化物半導体層、およびこの半導
体層上に間隔をおいて対向させた一対の電極を設け、上
記半導体層の水素ガスとの接触反応に伴なう電気抵抗変
化を測定するものが知られている。また防爆型の全光学
式のものとして、透明基板上に光導波路を設け、この導
波路上に、水素を吸着解離する物質例えばパラジウム（
Ｐ（１）から成る上層とこの解離された水素から電子・
プロトンを受けて光吸収係数が変化する物質例えば酸化
タングステンから成る下層とで形成される積層膜を設け
てセンサーを構成し、水素との反応で上記積層膜の下層
の光吸収係数が増大して導波路からの出射光量が減少す
る現象を利用したセンサーが存在する。

：従来技術の問題点〕 いずれのタイプのガスセンサーでも、ガスと接触する検
知部は外気にさらされており、水分との接触によって検
知部に使用されている物質が劣化するため、センサーと
しての寿命が比較的短がいという問題があった。

し従来の問題点を解決する手段〕 ガスセンサーのガス検知部露出面を、非親水性の連続多
孔質体からなる被覆層で保護被覆する。

上記の被覆層材質としては特に四弗化エチレン樹脂が好
適であり、これ以外にポリクロルトリフルオルエチレン
、７ノ化ビニル、三弗化エチレン、弗化ビニリデン、六
弗化プロピレン等の耐候性の良好な７ノ素樹脂を用いる
ことができる。

また上記被覆層は有機樹脂以外に無機物質で構成しても
よい。

［作　用］ 保護被覆層が連続多孔質体で形成されているため通気性
が有り、被検知ガスを含む雰囲気は自由に通過すること
ができ、ガス検知部に容易に達するのでガスの検知特性
は全く影響を受けない。

また、被覆層は非親水性であるため、連続多孔質であっ
ても毛管現象（（よる水分の透過を生じない。また孔径
が小さいほど耐水圧は高くなり防水性は向上する。さら
に、上記被覆層をセンサ一本体に接着固定する際に、気
孔への接着剤浸み込みによるアンカー効果で７〕素樹脂
のような非接着性の材質であっても強固に固定すること
ができる。

〔実　施　例〕

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。

第１図は本発明を平板光導波路タイプの水素ガスセンサ
ーに適用した例を示し、センサー／は透明誘電体基板２
に、この基板よりも屈折率の大な光導波路３を設け、こ
の光導波路３上にガス検知部ｔとして、光吸収層よおよ
び水素吸着層乙の積層膜を設けて構成される。

表面側にある吸着層６は、水素ガスを吸着解離する全校
、の薄膜例えばパラジウム（Ｐｄ）あるいは白金（Ｐｔ
）で形成され、吸着層乙の下にある光吸収層５は、吸着
層乙で解離された水素から電子およびプロトンを受ける
ことにより光吸収係数が変化する物質例えば酸化タング
ステン（ＷＯ３）で形成される。

上記構造のセンサーの、光導波路３の両端にそレーザー
等の光源ｇに、出力用ファイバー７Ｂの他端をＰＩＮ　
７オトダイオード等の受光検出器りにそれぞれ接続する
。

上記のセンサーで、吸着層乙に水素ガスが接触すると該
層の水素還元作用によって電子、プロトンが発生し、こ
れらが下方のＷＯ３から成る光吸収層ｊＫ注入されて下
記の反応を生じる。

ＷＯ３＋ｘＨ＋＋Ｘｅ−−＋ＨｘＷＯ３（１）上記反応
が進行するとＷＯ３の光吸収層ｊが着色（タングステン
ブロンズ）して光吸収係数が増加し、導波路３から浸み
出して光吸収層ｊを通る工出射光量が減少する。この受
光口変化を測定することにより水素濃度を検知すること
ができる。

上記構造の水素ガスセンサーでは、吸着層乙の全表面お
よび、吸着層乙を吸収層５の表面に部分的に設けた場合
には、光吸収層！の上表面が部分的に外気に露出するこ
ととなり、これら両層ｊ、乙の露出面が水分と接触して
劣化するという問題がある。

そこで本発明では、第１図に示すようにガス検知部ｌを
成す両層ｊ、乙の全表面を覆って、非親水二性の連続多
孔質体から成る保護被慶層１０で被覆！ する。例えばガス検知部ｌを基板２表面のほぼ中央部に
設け、別途作成した連続多孔質の被覆膜−′″’／　０
を上記ガス検知部’７に１せて膜ＩＯの周辺部を基板２
上面に接着固定する。

一例として、基板２としてＬｉＮｂＯ３を用い、この基
板２にＴ１を熱拡散させて光導波路３を形成し、この導
波路３上にＷＯ３膜を７μｍの厚さで真空蒸着して光吸
収層ｊとする。

”ＪＪｎｑ　Ｈｋ＊　ｒｔＦ　　Ｑ　Ｑ　　９９Ｑ！に
’ｌ　ヘｌ−＝、ｋ　　４　ＥＥＩ＋−１、７１し；　
　＋でコートされたＷ線ルツボを用いて、／×ｌ０−５
ＴＯｒｒ以下の真空度で基板温度を１００″Ｃとして真
空蒸着する。この温度では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。

ＷＯ３膜を付けた基板を酸素雰囲気中で２ｏｏ”ｃＳ１
時間のアニールを行ない安定化させる。

次いで上記ＷＯ３膜上に水素吸着層６としてＰｄを１０
にＩＡの厚さにスパッタリング法で付着させる。

さらに、この外に保護被覆層ＩＯとして、−軸あるいは
二軸の延伸加工を施して連続多孔質とした四弗化エチレ
ン樹脂フィルムを積層し、外周部で接着固定する。上記
構造とすることにより、水素ガスを含む雰囲気は被覆層
１０を自由に通過することができ、検知性能は従来と変
らない。

一力く向上する。

上記構造のセンサーはＩＯへｓｏｏｏｐｐｍの水素ガス
濃度範囲を±ｊ％の精度で測定可能であり、長期にわた
り初期の性能を維持することができる。

第２図に本発明の第二実施例を示す。本例は、光導波路
３を、電子およびプロトンを受けることにより光吸収係
数が変化する物質で形成した、すなわち前述実施例の光
吸ａＮＳそのものを光導波路３とした構造であり、他は
前述実施例と同様である。

第３図に本発明の第三実施例を示す。本例は光導波路本
体として集束性レンズを適用した例であり、先導波路を
成す本体／／は、屈折率が中心軸上で最大で周辺に向け
て漸減する分布をもつ透明円柱体から成る周知の集束性
レンズを中心で半割した半円柱体で構成される。そして
その長さは光線蛇行周期の／／２ピッチの整数倍としで
ある。

−上記の半円柱状本体／ｌの平坦側面／／Ａ上に光吸収
層５および吸着Ｎ乙を設けるとともに、両層！。

乙の全体を被覆するように非親水性の連続多孔質体／ｌ
の両端面に接続する。

上記構造のセンサーで、入力ファイバー７Ａから本体／
／内に入射した光線／２は略サインカーブを描いて平坦
側面／／Ａに向い、ここから出射して光吸収層５を透過
した後、吸着層６と光吸収層ｊとの界面で反射し再び本
体ｌｌ内を進行した後出力用ファイバー７Ｂに入射する
。

第５図に本発明の第四実施例を示す。

本例は、高屈折率のコア部１３を低屈折率のクラッド層
／４４で被覆した光ファイバー７５を光導波路３として
用い、このファイバーｌｊのクラッド層ｌグを一部分除
去してコア部／３を露出させ、この露出コア部／３を囲
むように光吸収層ｊ１水素吸着層６および連続多孔質体
の被覆層１０を設けたものである。

以上本発明を、全光式の水素検知センサーを例にとり説
明したが、本発明は図示例に限定されることなく、種々
の光学式ガスセンサーあるいは電気抵抗測定式のガスセ
ンサーに広く適用することができる。

〔効　果〕

よる検出性能の低下を生じることがなく、長期間にわた
り安定した性能を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第７図は本発明の第一実施例を示す側断面図、第２図は
本発明の第二実施例を示す側断面図、第３図は本発明の
第三実施例を示す側断面図、第４図は同正面図、第Ｓ図
は本発明の第四実施例を示す側断面図である。 ／・・・・・・ガスセンサー　３・・・・・光導波路ｔ
・・・・・・ガス検知部　ｊ・・・・・・光吸収層６・
・・・・・水素吸着層７Ａ・・・・・・人力用光７アイ
パー７Ｂ・・・・・・出力用光ファイバー　ざ・・・・
・・光　源り・・・・受光検出器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス検知部の露出面を、非親水性の連続多孔質体
   からなる被覆層で覆ったことを特徴とするガスセンサー
   。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、被覆層を四弗化
   エチレン樹脂で形成したガスセンサー。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、前記ガス検知部
   は、ガスとの反応で光の透過率が変化する物質の層で形
   成され、該層を通る光の受光量変化によりガス濃度を検
   知するようにしたガスセンサー。
4. （４）特許請求の範囲第１項において、前記ガス検知部
   は、水素を吸着解離する物質から成る吸着層と、該層の
   下に設けられ前記解離水素を受けて光吸収係数が変化す
   る物質の層とで形成されているガスセンサー。