JP6845143B2 - 水素センサ - Google Patents

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Description

本発明は、水素の濃度を測定する水素センサに関するもので、感度が高く、量産性に優れた水素センサを提供するものである。
環境問題に対応するためエネルギー源として、水素が注目されている。つまり水素は、燃料電池の燃料であったり、内燃機関で直接燃焼させる燃料などとして注目されている。これは、水素を燃焼させても水しか生成されず、重量当たりのエネルギー密度が高いという特徴がある。さらに、水素は太陽電池などの電気エネルギーを用いて、水を電気分解することによって容易に得ることができるためである。
一方、水素は、酸素と混合される事により、火花などで簡単に爆発するため、ボンベなどの容器からの漏れは確実に検出する必要がある。つまり、水素は空気中の濃度が4%を超えると爆発の可能性が生じるため、この濃度を検出するセンサで量産が容易なものの出現が望まれている。
このため、特許文献1に開示されたように、水晶の結晶板の上に水素反応触媒層を形成し、この触媒層の作用によって水素が酸化され、熱を発生することによって、水晶の結晶板の温度上昇が発生し、固有振動数が変化することを捉えて水素濃度を測定するようにしたものが開発されている。
特許文献1に開示されたものは、水晶振動子の表面に水素反応触媒層を形成したもので、既に量産方法が確立されており、実用性が高いという特徴がある。
また特許文献2に開示されたものは、特許文献1に開示されたものよりも測定値が安定しているというものである。すなわち、水晶板の第4領域片面あるいは両面に水素反応触媒層を形成し、水晶板の表面の5領域に同様の水素非反応層を形成した構成である。そして、水素反応触媒層によって水素が酸化され、酸化熱による水晶板の第1の水晶振動子の固有振動数の変化を、水晶板の5領域の固有振動数を基準に測定して水素濃度を測定するようにしたものである。
特開2008−224581号公報 特開2010−256157号公報
しかしながら、上記のような特許文献1に開示された従来の水素センサは、水素反応触媒層の発熱によって水晶振動子の温度が上昇することで、水素濃度を測定するようにしているため、使用される環境の温度によって測定値がずれる問題がある。
また、特許文献2に開示されたものは、測定値が雰囲気温度の変化に対しても安定しているという特徴があるが、より感度の高いセンサを求めたいという要求がある。一方で、感度を上げることで水晶振動子の衝撃に対する強度が低下することを防止したいという要求や、量産性も高くしたいという要求も満たす必要がある。
本発明は以上の点に着目し、環境温度そのものや環境温度の変化によっても測定データに誤差の発生が少なく、かつ感度が高く、感度を高くしても強度に不足がなく、量産性にも優れた水素センサを提供しようとするものである。
本発明における水素センサは、水晶板に少なくとも第1の水晶振動子と第2の水晶振動子とが形成され、前記第1の水晶振動子には両面に、白金黒の白金被膜よりなる水素反応触媒層が形成され、前記第2の水晶振動子には、水素非反応層が形成されており、前記白金被膜の平均膜厚は、70nm以上150nm以下であり、前記水素反応触媒層によって水素が酸化され、酸化熱により上昇した前記第1の水晶振動子の温度を、前記第1の水晶振動子の固有振動数の変化として、前記第2の水晶振動子の固有振動数を基準に測定して水素濃度を測定するようにした、ことを特徴とする。
或いは、本発明における水素センサは、水晶板に少なくとも第1の水晶振動子と第2の水晶振動子と、が形成され、前記第1の水晶振動子には両面に、複数の突起を表面に有する白金被膜よりなる水素反応触媒層が形成され、前記突起は、表面にて粒子状に、或いは、断面にて樹枝状、針状、又は柱状に現れており、前記白金被膜の平均膜厚は、70nm以上150nm以下であり、前記第2の水晶振動子には、水素非反応層が形成されており、前記水素反応触媒層によって水素が酸化され、酸化熱により上昇した前記第1の水晶振動子の温度を、前記第1の水晶振動子の固有振動数の変化として、前記第2の水晶振動子の固有振動数を基準に測定して水素濃度を測定するようにした、ことを特徴とする。
本発明の水素センサは、上記の如く、水晶板に第1の水晶振動子と第2の水晶振動子とを形成し、第1の水晶振動子に、白金黒による水素反応触媒層を形成し、第2の水晶振動子に水素非反応層を形成している。あるいは、第1の水晶振動子に、複数の突起を表面に有する白金被膜よりなる水素反応触媒層を形成し、突起は、表面にて粒子状に、或いは、断面にて樹枝状、針状、又は柱状に現れている。
本発明では、水素を含む空気などのガスと触れると、水素の酸化熱の影響を受けて、第1の水晶振動子の水素反応触媒層が発熱する。このとき、第1の水晶振動子と第2の水晶振動子とも同じ条件で酸化熱以外の熱の影響を受けるため、第1の水晶振動子と第2の水晶振動子との周波数差や比、或いはそれらを組み合わせて演算することで、水素の酸化熱以外の要素による影響を排除することができる。このため、環境温度が変化しても、正確に水素濃度の測定を行う事ができる。そして、本発明によれば、従来に比べて、感度を高くすることができる。
さらに、水晶板の各領域は、特許文献2に開示されたものと同一であるため、感度を上げることによって強度が低下することがない。また、水素反応触媒層の形成は、電気メッキによって行うことができ、特別な困難性がないため量産性が高い。
本発明の第1の実施の形態における水素センサを示す表面図である。 本発明の第1の実施の形態における水素センサを示す裏面図である。 本発明の第2の実施の形態における水素センサを示す表面図である。 本発明の第2の実施の形態における水素センサを示す裏面図である。 図3、図4に示す水素センサの断面図である。 本発明の水素センサの膜厚が異なる水素反応触媒層の表面を観察したSEM写真である。 本発明の水素センサの水素反応触媒層の断面を観察したSEM写真である。 図6に示す各SEM写真の部分模式図である。 図7に示すSEM写真の部分模式図である。 本実施の形態の水素センサの製造工程を示す断面図である。 本実施の形態の水素センサの水素反応触媒層の形成工程を示す斜視図である。 本発明の水素センサの特性を示すグラフである。 本発明の水素センサの特性を示すグラフである。 本発明の水素センサの特性を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態(以下、「本実施の形態」という)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
(第1の実施の形態)
以下、第1の実施の形態の水素センサについて図に沿って詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態における水素センサを示す表面図であり、図2は、本発明の第1の実施の形態における水素センサを示す裏面図である。なお、図2の裏面図は、図1の表面図をそのまま反転すると左右が逆になるため、理解を助けるために左右が逆転しない状態で示している。
図1及び図2に示す符号1は、水晶の結晶をエッチングなどで切りだして作製された水晶板(水晶基板)である。符号2は、第1の水晶振動子であり、符号3は、第2の水晶振動子である。
図1、図2に示すように、第1の水晶振動子2には、水晶板1を切り出して形成された水晶片の両面に、水素反応触媒層4が形成されている。水素反応触媒層4は、白金被膜8により形成されている。水素反応触媒層4は、第1の水晶振動子2の電極として機能する。
また、図1、図2に示すように、第2の水晶振動子3には、水晶板1を切り出して形成された水晶片の両面に、水素非反応層5が形成されている。水素非反応層5は、例えば、金薄膜9で形成されている。水素非反応層5は、第2の水晶振動子3の電極として機能する。
白金被膜8について説明する。白金被膜8は、白金黒により形成される。ここで、「白金黒」とは、強力な酸化還元触媒として知られる表面が黒く見える白金被膜であり、ただし、本実施の形態において、表面は、黒色でなくグレー、或いはグレーに近い色であっても「白金黒」に含まれる。
白金被膜8は、表面が粗面とされており、或いは、白金被膜8は、多孔質材料であり、見かけ上の表面積に比べて実表面積は非常に大きい。
このような白金被膜8は、走査型電子顕微鏡(SEM)写真にて、次のように観察される。
すなわち、白金被膜8は、表面に多数の突起を有しており、突起は、表面観察にて、粒子状に現れる。或いは、突起は、断面観察にて、樹枝状、針状、又は柱状に現れる。ここで、「粒子状」とは、SEM写真で点状や塊状で現れ、1つの粒子或いは複数の粒子が凝着した形状として示される。また、「樹枝状」とは、枝分かれしたような形状であり、「針状」とは、先端が尖ったような形状であり、「柱状」とは、「樹枝状」「針状」以外の不定形な突状物を示す。なお、実際のSEM写真については後述する。
白金被膜8が触媒作用を発揮するためには、ある程度以上の温度が必要である。このため、図2に示すように、加熱用のヒータ線6が、水晶板1の裏面上で、水素反応触媒層4に対応した位置に形成されている。
更に、図2に示すように、加熱用のヒータ線7は、水晶板1の裏面上で、水素非反応層5に対応した位置にも形成されている。そして、ヒータ線6とヒータ線7とは、互いに同じ特性を有するように形成されている。これは、水素反応触媒層4と水素非反応層5の両方を同一条件で加熱し、水素反応触媒層4の発生する熱量を正確に検出するためである。図2に示すように、ヒータ線6、7は、同じ材質にて一体的に形成されている。
図1、図2に示す符号10は、水晶板1に形成されたスリットであり、このスリット10によって、第1の水晶振動子2と第2の水晶振動子3との間での熱の影響が抑制されている。なお、符号11及び、符号12は、それぞれヒータ線6及びヒータ線7に電力を供給するための端子である。
符号13は、第1の水晶振動子2及び第2の水晶振動子3の外側を囲む外枠であり、この外枠13には、例えば、3つのバネ部14〜16が形成されている。また、第1の水晶振動子2及び第2の水晶振動子3と、外枠13との間は、スリット10により一部を除いて、分離されている。このように、外枠13とバネ部14〜16とを設けることで、外枠13に応力が作用しても、第1の水晶振動子2及び第2の水晶振動子3が、その応力を受けにくい構造にすることができる。
また、図1に示す符号21、22は、第1の水晶振動子2の共振周波数を測定するためにコルピッツ発振回路などの発振回路(ただし、水晶を用いた発振回路は、一般的であるため説明を省略する)に接続される端子である。また、その発振回路は周波数測定装置に接続される。この周波数測定回路も一般的であるため、説明を省略する。
水素センサの実施例1は、以上の構成からなり、以下、水素センサの動作や使用方法について説明する。水晶板1は、機械的な破損から防止するため適当な基板の上に取り付け、ケースに収納してモジュール化される。このケースには、例えば、十分に気体が流通する開口を有する。以上の基板やケースは、電子部品で一般に用いられているもので良いため特段技術的に特徴がなく、図示を行わない。
先ず、端子11、12を用いてヒータ線6及びヒータ線7に給電する。この給電によって第1の水晶振動子2と第2の水晶振動子3とは、同一条件で予熱された状態となる。ここで予熱とは、水素反応触媒層4が触媒として機能する温度まで温度を上げることである。
また、端子21及び、裏面側の端子(図示しない)を発振回路に接続する。すると、水晶板1は厚み滑り振動子として振動し、その固有振動数で発振回路が発振する。発振回路の発振周波数は、周波数測定装置で測定されるため、第1の水晶振動子2の共振周波数が測定される。さらに端子22及び、裏面側の端子(図示しない)を発振回路に接続し、発振回路の発振周波数は、周波数測定装置で測定されるため、第2の水晶振動子3の共振周波数が測定される。
なお、端子17、18、19、20は、水素センサをパッケージ(図示せず)に固定するためのパッドである。
ここで、予熱によって温度が上昇した状態の第1の水晶振動子2と第2の水晶振動子3との共振周波数を測定しておく。
この状態で、水素を含む空気が流れて来ると、この水素センサの水素反応触媒層4における触媒の作用で、水素が空気中の酸素によって酸化される。この酸化に伴い、酸化熱が発生し、第1の水晶振動子2の温度が予熱温度以上に上昇する。
第2の水晶振動子3には水素非反応層5が形成されており、空気中に水素が含まれていても水素の酸化は行われず、第2の水晶振動子3の温度は、予熱温度のまま維持される。すなわち、第1の水晶振動子2は、水素の酸化熱によって予熱以上の温度になり、一方、第2の水晶振動子3は、予熱温度のままとなる。よって、第1の水晶振動子2の共振周波数は、予熱温度と水素の酸化熱による温度上昇に伴う温度での共振周波数となり、一方、第2の水晶振動子3の共振周波数は、予熱温度での共振周波数となる。
ここで、第1の水晶振動子2の共振周波数と第2の水晶振動子3の共振周波数とを測定し、その差を取ると、予熱によって上昇した温度の要素がなくなり、第1の水晶振動子2が純粋に水素の酸化熱によって受けた影響に伴う周波数変化の要素のみ検出することが可能になる。
このようにして、水素の酸化熱による周波数変化を測定することにより、空気中の水素濃度を測定することができる。
(第2の実施の形態)
図3は、本発明の第2の実施の形態における水素センサを示す表面図であり、図4は、本発明の第2の実施の形態における水素センサを示す裏面図である。また、図5は、図3、図4に示す水素センサの断面図である。なお、図4の裏面図は、図3の表面図をそのまま反転すると左右が逆になるため、理解を助けるために左右が逆転しない状態で示している。また、図4及び図4において、図1及び図2と同じ部分については同じ符号を付し、説明を省略する。
図3、図4に示す水素センサは、第1の水晶振動子2と、第2の水晶振動子3とを有し、第1の水晶振動子2と、第2の水晶振動子3との間はスリット10により分離されている。また、スリット10は、第1の水晶振動子2及び、第2の水晶振動子3と外枠13との間を、一部を残して分離している。
図3、図4に示すように、第1の水晶振動子2は、外枠13と連結部1aを介して接続された片持ち構造である。同様に、第2の水晶振動子3は、外枠13と連結部1bを介して接続された片持ち構造である。
図3、図4に示すように、第1の水晶振動子2の中央部には、白金被膜8よりなる水素反応触媒層4が形成されている。水素反応触媒層4は、第1の水晶振動子2の両面に形成されている。また、第2の水晶振動子3の中央部には、金薄膜9よりなる水素非反応層5が形成されている。水素非反応層5は、第2の水晶振動子3の両面に形成されている。
図5に示すように、金薄膜9は、第2の水晶振動子3と同様に、第1の水晶振動子2の両面に第一層として形成され、白金被膜8からなる水素反応触媒層4は、金薄膜9の表面に重ねて形成されている。なお、図示していないが、金薄膜9の下地層としてCr層が形成されている。
図4に示すように、第1の水晶振動子2及び第2の水晶振動子3の裏面には、水素反応触媒層4の周囲にヒータ線6が設けられ、水素非反応層5の周囲に、ヒータ線7が設けられている。各ヒータ線6、7は、連結部1a、1bを通り、外枠13の位置で接続され一体化している。
ヒータ線6、7は、金薄膜9のパターン形成時と同時に形成可能であるが、別工程で形成することもできる。ヒータ線6、7は、Cr/Au積層膜、Cr/Au積層膜等(なお、水晶板1の接着層としてCr、Ni、Ti等が必要)にて形成可能であるが、材質を問うものではない。
図4に示すように、ヒータ線6、7を、水素反応触媒層4及び、水素非反応層5の周囲にて、蛇行させることで、発熱効率を向上させることができる。
図3、図4に示す第2の実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、白金被膜8は、白金黒により形成される。
或いは、白金被膜8は、表面に多数の突起を有しており、突起は、表面観察にて、粒子状に現れる。又は、突起は、断面観察にて、樹枝状、針状、又は柱状に現れる。
従来、水素反応触媒層4を、Ptスパッタによる光沢白金膜にて形成していたが、本実施の形態では、水素反応触媒層4を、三次元的なナノ構造を有する白金被膜、具体的には、白金黒にて形成した。これにより、飛躍的に、感度を向上させることができる。
本実施の形態では、白金被膜8の表面状態を、SEM写真にて観察することができる。
本実施の形態では、SEM(走査型電子顕微鏡、日立ハイテクノロジーズ製S−3400N)を用いて表面及び断面を観察した。SEMの観察条件としては、加速電圧を、30kV、観測倍率を、5000倍とした。
図6は、本発明の水素センサの膜厚が異なる水素反応触媒層の表面を観察したSEM写真である。図7は、本発明の水素センサの水素反応触媒層の断面を観察したSEM写真である。図8は、図6に示す各SEM写真の部分模式図である。図9は、図7に示すSEM写真の部分模式図である。
図6の左上のSEM写真は、白金黒メッキ膜の平均膜厚が、116nmの表面写真である。図6の右上のSEM写真は、白金黒メッキ膜の平均膜厚が、386nmの表面写真である。図6の下側のSEM写真は、白金黒メッキ膜の平均膜厚が、518nmの表面写真である。
ここで、「平均膜厚」は、以下の方法で測定される。すなわち、測定装置として、KEYENCE製レーザマイクロスコープVK−X210を用い、白金被膜の表面の任意の5か所について測定し、その平均値を上記の平均膜厚とする。
図8では、図6に示す表面写真の一部だけを模式的に図示したものである。図6、図8に示すように、平均膜厚が116nmの白金被膜では、SEM観察にて、白く見える部分が表面から突出する粒子状の突起である。そして、その周りの色の濃い部分は、グレー色であり、この部分は、白金被膜の膜厚が薄く、下地のAuが透けて見えることがわかった。
図6、図8に示すように、平均膜厚が116nmの白金被膜では、突出する多数の粒子状の突起物が点在していることがわかった。
また、平均膜厚が386nmの白金被膜では、図6に示すように、白く見える粒子状突起の周りの色の濃い部分は、平均膜厚が116nmの白金被膜よりもやや色の濃いダークグレー色であった。
また、平均膜厚が518nmの白金被膜では、図6に示すように、白く見える粒子状突起の周りの色の濃い部分は、平均膜厚が386nmの白金被膜よりも更に色が濃くなり黒色であった。
続いて、SEM断面について考察する。図7、図8に示す白金被膜の平均膜厚は、500nm程度であった。図7、図8に示すように、SEM断面では、多数の突起物が観察でき、これら突起物は、不定形であった。突起物の形状としては、樹枝状のものや針状のもの、また、樹枝状及び針状には該当しない不定形状のもの(これらを本明細書では、「柱状」と称する)が見られた。
図7、図8に示すように、各突起物のアスペクト比(最大高さ/最大幅)は、大きく、アスペクト比は、2〜10程度であった。
本実施の形態では、白金被膜8の平均膜厚は、30nm以上600nm以下であることが好ましい。ただし、白金被膜8の平均膜厚を、あまり薄くしすぎると、成膜が困難であるため、平均膜厚は、30nm以上とすることが好ましい。一方、白金被膜8の平均膜厚が大きくなりすぎると、白金被膜8の表面の凹凸が小さくなり表面積が減少するため、平均膜厚を、600nm以下とすることが好ましい。
白金被膜8の平均膜厚は、50nm以上500nm以下であるとより好ましく、70nm以上300nm以下であると更に好ましく、70nm以上150nm以下であるとより一層好ましく、100nm程度であると最も好ましい。
以下、本実施の形態の水素センサの製造方法について説明する。図10は、本実施の形態の水素センサの製造工程を示す断面図である。なお、図10では、各製造工程において、水素センサの裏面側を上面側に図示している。
図10Aに示す工程では、水晶板(水晶基板)1の両面に、Cr/Au薄膜30をスパッタにより成膜する。
続いて、フォトリソグラフィー技術を用いて、Cr/Au薄膜30を、スリット10の形成箇所以外に残し、更に、図10Bに示すように、Cu/Au薄膜30の表面に、レジストパターン31を形成する。このレジストパターン31は、図3、図4に示す水素反応触媒層4及び、水素非反応層5の形状パターン、ヒータ線6、7の形状パターン、及び各種配線の形状パターンである。
続いて、図10Cでは、水晶板1が露出した箇所をエッチングして除去し、スリット10を形成する。スリット10の形成により、図3、図4に示すように、第1の水晶振動子2と、第2の水晶振動子3とを互いに分離するとともに、外枠13から一部を除いて隔離することができる。
次に、図10Dに示す工程では、図10Cに示すレジストパターン31に覆われていないCr/Au薄膜30を、エッチングにより除去する。これにより、Cu/Au薄膜30を、水素反応触媒層4及び、水素非反応層5の形状パターン、ヒータ線6、7の形状パターン、及び各種配線の形状パターンに残すことができる。
次に、図10Eに示す工程では、第1の水晶振動子2の中央部のCu/Au薄膜30表面に、白金被膜8をメッキ形成し、白金被膜8からなる水素反応触媒層4を形成する。なお、白金被膜8のメッキの際、メッキ箇所を選択的にできれば、マスクは特に必要がない。
以下、白金被膜8からなる水素反応触媒層4の形成方法について説明する。図11は、本実施の形態の水素センサの水素反応触媒層の形成工程を示す斜視図である。図11に示すように、陽極40には、Pt板を用い、陰極41には、水晶ウェハ(図10Dの状態のもの)を設置する。ここで、図11では、陽極40を1つとしたが、2つ用意し、陰極41の両側を、陽極40で挟む構成とすることが好適である。これにより、一度に、水晶ウェハの両側に、白金被膜をメッキ形成でき、また、両面に形成された白金被膜の膜厚をより均一化することができる。
また、溶液として、例えば、ヘキサクロロ白金(IV)酸六水和物(H[PtCl]・6HO)を3gと、酢酸鉛(III)三水和物Pb(CHCOO)・3HOを0.06gとを、超純水に溶かしてメッキ浴とする。
白金被膜の表面状態、及び膜厚は、電流密度及び時間に依存し、本実施の形態では、電流密度を4mA/cm以上、好ましくは、5.0mA/cm以上、より好ましくは、5.5mA/cm以上とすることが好ましい。電流密度の上限値は、12mA/cm程度、好ましくは、10mA/cm程度である。また、メッキ時間は、例えば300sec以下、好ましくは100sec以下、より好ましくは、数十sec程度である。これにより、外観は、白金グレーと呼ばれる灰色の状態、或いは、白金黒となる。このように、白金グレー、白金黒の状態では、白金被膜の凹凸を大きくでき、またSEM断面にて複雑な構造(樹枝状の突起物等)を得ることができる。
このようにして水素反応触媒層4には、センサ完成後に、第1の振動子2のみに選択的に白金被膜8をメッキ形成できる。本実施の形態では、第1の振動子2の両面の電極上に適切にパターニングでき、更に、白金被膜8の膜厚を制御しやすい。そして、ウェハ上の全サンプルに対して、一括してメッキ形成できるという利点がある。
本実施の形態では、他に、白金黒の粉末をバインダで第1の振動子2の両面の電極上に塗布してもよい。この場合、バインダとして無機バインダを用いることが好ましい。
以下、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
[実験例1]
実験では、白金黒をメッキして水素反応触媒層4を形成した実施例の水素センサと、特許文献2に開示されたように、白金をスパッタ成膜した比較例の水素センサとを作製し、水素を含む環境下において、各水素センサの感度を測定した。その実験結果が図12に示されている。
図12に示すように、実施例の水素センサでは、比較例の水素センサに比べて、ほぼ倍の感度を有することがわかった。
また、上記とは別の感度の実験として、白金黒メッキを電流密度9.17mA/cm2にて行い、平均膜厚が518nmの白金被膜を有する振動子(水素センサ)を作製した。また、比較例として、膜厚が250nmの白金スパッタ膜を有する振動子(水素センサ)を作製した。
感度測定には、水素濃度0.3%の純空気―水素混合ガスを用いた。感度測定の結果が以下の表1に示されている。
Figure 0006845143
表1に示すように、約16MHzの共振周波数に対して、白金黒メッキを有する実施例としての水素センサは、平均で146.6ppmの周波数上昇が見られた。これは、白金スパッタを有する比較例としての水素センサと比較して3.65倍高い感度である。水素センサの周波数温度係数(Temperature Coefficients of Frequency:TCF)の実測値を用いて、水素の燃焼反応による温度上昇を計算すると、白金黒メッキを有する実施例の水素センサのほうが、白金スパッタを有する比較例としての水素センサに比べて、2.8倍大きいことがわかった。このように、白金黒メッキを有する実施例の水素センサでは、TCFが増加する方向に働き、白金触媒の違い以上に水素センサの感度向上に繋がることがわかった。
[実験例2]
次に、図6に示す膜厚の異なる白金被膜よりなる水素反応触媒層4を用いた各水素センサを用いて、Q値の測定を行なった。その結果が、図13に示されている。
図13に示す膜厚=0nmのデータは、白金被膜メッキ前の振動子のQ値である。図13に示すように、Q値は、白金被膜の膜厚に対して指数関数的に減少することがわかった。
また、図13に示すように、白金被膜の膜厚が約100nmである振動子のQ値は、白金被膜の成膜前(膜厚=0nm)の振動子と同等レベルであることがわかった。
このように、Q値の低下を抑制できることがわかった。白金被膜の膜厚は600nm以下とすることが好ましく、より好ましくは500nm以下、更に好ましくは、300m以下、より一層好ましくは、150nm以下であり、最も好ましくは、100nm程度であることがわかった。
[実験例3]
次に、図6に示す膜厚の異なる白金被膜よりなる水素反応触媒層4を用いた各水素センサを用いて、感度を比較した。
感度測定は、ガスチャンバを用いて行った。純水な水素ガスと、標準のドライエアーをマスフローコントローラで混合比を制御して、水素濃度を調整した。チャンバ内の圧力を室温下で、0.1MPa程度に維持した。そして、300mLのチャンバに対して1L/minの流量条件とした。感度の実験結果を表2に示す。
Figure 0006845143
表2に示すSampleAは、白金被膜の膜厚が116nmの試料であり、SampleBは、白金被膜の膜厚が1386nmの試料であり、SampleCは、白金被膜の膜厚が518nmの試料である。
実験では、各試料に対して3回ずつ感度の実験を行い、その平均値を求めた。表2に示すように、膜厚の最も小さいSampleAが、最も高い感度を示した。一方、SampleB及び、SampleCの感度差は、膜厚差に対して小さいことがわかった。
図14は、0〜1%の水素濃度範囲に対する本実施例の水素センサの出力シグナルである。感度の線形性、回復特性共に良好であることがわかった。
近年、家庭用燃料電池、FCV、水素ステーション等の水素エネルギーへの関心が高まっている。このため、水素製造、輸送、貯蔵、利用設備等での水素濃度の測定は今後益々需要が増えるものと考えらえる。
本発明の水素センサは、濃度の低い水素が空気中に混在していても容易に検出可能であり、また環境温度が変化しても正確に水素濃度を測定することができ、極めて感度が高い。よって、本発明の水素センサは、上記した各場面での水素濃度測定に有用である。
本出願は、2015年9月16日出願の特願2015−183106に基づく。この内容は全てここに含めておく。

Claims (4)

  1. 水晶板に少なくとも第1の水晶振動子と第2の水晶振動子とが形成され、
    前記第1の水晶振動子には両面に、白金黒の白金被膜よりなる水素反応触媒層が形成され、前記第2の水晶振動子には、水素非反応層が形成されており、
    前記白金被膜の平均膜厚は、70nm以上150nm以下であり、
    前記水素反応触媒層によって水素が酸化され、酸化熱により上昇した前記第1の水晶振動子の温度を、前記第1の水晶振動子の固有振動数の変化として、前記第2の水晶振動子の固有振動数を基準に測定して水素濃度を測定するようにした、ことを特徴とする水素センサ。
  2. 水晶板に少なくとも第1の水晶振動子と第2の水晶振動子と、が形成され、
    前記第1の水晶振動子には両面に、複数の突起を表面に有する白金被膜よりなる水素反応触媒層が形成され、前記突起は、表面にて粒子状に、或いは、断面にて樹枝状、針状、又は柱状に現れており、
    前記白金被膜の平均膜厚は、70nm以上150nm以下であり、
    前記第2の水晶振動子には、水素非反応層が形成されており、
    前記水素反応触媒層によって水素が酸化され、酸化熱により上昇した前記第1の水晶振動子の温度を、前記第1の水晶振動子の固有振動数の変化として、前記第2の水晶振動子の固有振動数を基準に測定して水素濃度を測定するようにした、ことを特徴とする水素センサ。
  3. 前記水素反応触媒層は、前記白金被膜をメッキして形成されたものであることを特徴とする請求項1又は請求項に記載の水素センサ。
  4. 前記水素反応触媒層は、白金黒粉末を塗布することによって形成されたものであることを特徴とする請求項1又は請求項に記載の水素センサ。
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