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JP5061287B2 - Gas sensor and hydrogen concentration detection system - Google Patents
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JP5061287B2 - Gas sensor and hydrogen concentration detection system - Google Patents

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雅子 田中
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Description

本発明は、ガスと触媒媒質との触媒反応における発熱を利用する接触燃焼式のガスセン
サに関する。
The present invention relates to a catalytic combustion type gas sensor using heat generation in a catalytic reaction between a gas and a catalyst medium.

従来から、用途に応じたガスを検出するガスセンサが実用化されている。特に可燃性ガ
スを検出するガスセンサは、使用上の安全性を確保する上での重要なセンサと位置付けら
れている。
近年、環境負荷を低減するために自動車用、家庭用として燃料電池の開発が進んでいる
。燃料電池は水素を燃料とするため、水素ガスのガス漏れを検知することが燃料電池を安
全に使用する際の重要な事項である。このガス漏れの検知は水素センサによって行われ、
水素ガスだけに応答し、約0.05〜5%程度の水素濃度を定量的に検知する水素センサ
が必要である。
Conventionally, a gas sensor for detecting a gas corresponding to a use has been put into practical use. In particular, a gas sensor that detects flammable gas is positioned as an important sensor for ensuring safety in use.
In recent years, fuel cells have been developed for automobiles and households in order to reduce the environmental load. Since a fuel cell uses hydrogen as a fuel, detecting a gas leak of hydrogen gas is an important matter when using the fuel cell safely. This gas leak is detected by a hydrogen sensor,
A hydrogen sensor that responds only to hydrogen gas and quantitatively detects a hydrogen concentration of about 0.05 to 5% is required.

現在、水素などの気体を検出するガスセンサとして接触燃焼式センサなどが知られてい
る。この、接触燃焼式センサは、ガスの検出機能を持つ物質の表面での接触燃焼現象によ
る発熱を利用し、この温度変化から電気抵抗の変化を固定抵抗と対にしたブリッジ回路か
ら電圧として検出するものである。
例えば、接触燃焼式水素センサの一例として特許文献1に示すように、触媒媒質として
の水素反応触媒層と該水素反応触媒層の発熱温度を検知する薄膜サーミスタが絶縁層を介
して積層され、この素子を用いてブリッジ回路を構成し、ブリッジ電圧を検出することで
水素濃度を検知可能としている。
Currently, a contact combustion type sensor or the like is known as a gas sensor for detecting a gas such as hydrogen. This contact combustion type sensor uses heat generated by the contact combustion phenomenon on the surface of a substance having a gas detection function, and detects a change in electrical resistance from this temperature change as a voltage from a bridge circuit paired with a fixed resistance. Is.
For example, as shown in Patent Document 1 as an example of a contact combustion type hydrogen sensor, a hydrogen reaction catalyst layer as a catalyst medium and a thin film thermistor for detecting the heat generation temperature of the hydrogen reaction catalyst layer are stacked via an insulating layer. A bridge circuit is configured using elements, and the hydrogen concentration can be detected by detecting the bridge voltage.

また、他の水素センサとして、特許文献2に示すように、気体中の分子を検出するため
に、トランスバーサル型SAWフィルタにおいて、櫛歯状のIDT(Interdigital Tran
sducer)電極からなる励振電極および受信電極の間にガス吸着体を設けたガスセンサが知
られている。
このガスセンサは、励振電極で励振された弾性表面波(SAW:Surface Acoustic W
ave)が、ガス吸着されて重量が変化したガス吸着体を通過することで弾性表面波の伝播
速度が変化し、これを受信電極で周波数変化として検出してガス濃度の検知している。
As another hydrogen sensor, as shown in Patent Document 2, in order to detect molecules in a gas, in a transversal SAW filter, a comb-like IDT (Interdigital Tran
There is known a gas sensor in which a gas adsorber is provided between an excitation electrode and a reception electrode each consisting of a sducer) electrode.
This gas sensor has a surface acoustic wave (SAW) excited by an excitation electrode.
ave) passes through a gas adsorbent whose weight has been changed by gas adsorption, and the propagation speed of the surface acoustic wave changes, and this is detected as a frequency change by the receiving electrode to detect the gas concentration.

特開2005−98742号公報JP 2005-98742 A 特開平8−68781号公報JP-A-8-68781

しかしながら、従来の接触燃焼式水素センサなどのガスセンサはブリッジ回路などから
検出される電圧の変化が微小なため、ガス濃度を感度良く検知できないという問題がある
。また、トランスバーサル型SAWフィルタを利用したガスセンサではSAWフィルタの
帯域幅があるため、わずかな周波数変動を検出できずガス濃度の検出感度に問題がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ガス濃度を感度
良く検知できるガスセンサを提供することにある。
However, a conventional gas sensor such as a catalytic combustion type hydrogen sensor has a problem that the gas concentration cannot be detected with high sensitivity because a change in voltage detected from a bridge circuit or the like is minute. In addition, since a gas sensor using a transversal SAW filter has a bandwidth of the SAW filter, a slight frequency fluctuation cannot be detected, and there is a problem in gas concentration detection sensitivity.
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensor capable of detecting a gas concentration with high sensitivity.

上記課題を解決するために、本発明のガスセンサは圧電基板と、前記圧電基板上に設けられたIDT電極と、前記圧電基板上に設けられ、ガスに反応して発熱するガス反応触媒膜と、前記IDT電極を励振させる発振回路と、を備え、前記ガス反応触媒膜が前記IDT電極で励振される弾性表面波の伝播路上に設けられ、前記圧電基板に水晶基板が用いられ、水晶の結晶の電気軸をX軸、機械軸をY軸、光学軸をZ軸とした場合、前記水晶基板は、前記X軸と前記Z軸とを含む平面を、前記X軸を回転軸とし、前記結晶の+Z軸から前記結晶の−Y軸へ回転する方向を正として、θ°回転してできる平面を主面としたものであり、前記IDT電極は、前記弾性表面波が前記X軸に平行に伝播するように設けられており、前記θが33以上53以下を満たすことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a gas sensor of the present invention includes a piezoelectric substrate, an IDT electrode provided on the piezoelectric substrate, a gas reaction catalyst film provided on the piezoelectric substrate and generating heat in response to gas. An oscillation circuit for exciting the IDT electrode, wherein the gas reaction catalyst film is provided on a propagation path of a surface acoustic wave excited by the IDT electrode, a quartz substrate is used as the piezoelectric substrate, The X axis is the X axis, the mechanical axis is the Y axis, and the optical axis is the Z axis. The crystal substrate is a plane including the X axis and the Z axis, the X axis is the rotation axis, and the crystal A plane formed by rotating θ ° from the + Z axis of the crystal to the −Y axis of the crystal is defined as a main surface, and the IDT electrode has the surface acoustic wave parallel to the X axis. The angle θ is 33 or more and 53. And it satisfies the below.

この構成によれば、圧電基板に形成されたガス反応触媒膜にガスが接触して発熱し、この熱により圧電基板の温度が上昇する。圧電基板は、温度により圧電基板を伝播する波の音速が変化する特性を有しているため、圧電基板の温度上昇に伴い弾性表面波が伝播する速度、つまり周波数が変化する。そして、周波数の変化を検知することで、ガスの存在またはガスの濃度を検知することが可能となる。
また、本発明のガスセンサは共振子型の弾性表面波装置が利用されており、SAWフィルタのように帯域幅を持たず、わずかな周波数変動を検知できることから、ガス濃度が低い領域から感度良くガスを検知することが可能である。
また、水晶は加工性が良く量産に適し、また、水晶の主面のカット角(切断方位)を適宜選択することで水晶基板の温度感度係数を調整できる利点がある。つまり、水晶の主面のカット角を適宜選択することで温度に対する良好な感度を得ることができ、ひいては、ガス濃度を感度良く検知でき、かつ量産性に優れたガスセンサを提供することができる。
また、θが33以上53以下を満たすことにより、温度感度係数の絶対値が30〜60ppm/℃のガスセンサを構成することができ、ガス濃度に対する発熱を効率よく検出でき、感度に優れたガスセンサを提供することができる。
According to this configuration, the gas contacts the gas reaction catalyst film formed on the piezoelectric substrate to generate heat, and this heat increases the temperature of the piezoelectric substrate. Since the piezoelectric substrate has a characteristic that the sound velocity of the wave propagating through the piezoelectric substrate changes depending on the temperature, the speed at which the surface acoustic wave propagates, that is, the frequency changes as the temperature of the piezoelectric substrate increases. By detecting a change in frequency, it is possible to detect the presence of gas or the concentration of gas.
The gas sensor of the present invention uses a resonator-type surface acoustic wave device, and does not have a bandwidth like a SAW filter and can detect slight frequency fluctuations. Can be detected.
In addition, quartz has good workability and is suitable for mass production, and has an advantage that the temperature sensitivity coefficient of the quartz substrate can be adjusted by appropriately selecting the cut angle (cutting orientation) of the main surface of the quartz. In other words, by appropriately selecting the cut angle of the main surface of the crystal, it is possible to obtain a good sensitivity to temperature, and thus it is possible to provide a gas sensor that can detect the gas concentration with high sensitivity and is excellent in mass productivity.
In addition, when θ satisfies 33 or more and 53 or less, a gas sensor having an absolute value of a temperature sensitivity coefficient of 30 to 60 ppm / ° C. can be configured, heat generation with respect to gas concentration can be detected efficiently, and a gas sensor excellent in sensitivity can be obtained. Can be provided.

また、本発明のガスセンサは、前記ガス反応触媒膜が前記IDT電極における前記交差指電極の間の前記伝播路上に設けられていることが望ましい。 Further, the gas sensor of the present invention, it is preferable the gas reaction catalyst film is found provided on front Kiden播路between the alternate finger electrodes in the IDT electrode.

この構成によれば、弾性表面波を励振するIDT電極の交差指電極間にガス反応触媒膜
が形成されていることから、ガス反応触媒膜の発熱がすぐに弾性表面波伝播路上の圧電基
板に伝わる。このことから、IDT電極で励振される弾性表面波が伝播する速度に短時間
で変化を与えることができ、応答性および感度の優れたガスセンサを提供できる。
According to this configuration, since the gas reaction catalyst film is formed between the interdigitated electrodes of the IDT electrode that excites the surface acoustic wave, the heat generated by the gas reaction catalyst film is immediately applied to the piezoelectric substrate on the surface acoustic wave propagation path. It is transmitted. Therefore, the speed at which the surface acoustic wave excited by the IDT electrode propagates can be changed in a short time, and a gas sensor having excellent responsiveness and sensitivity can be provided.

また、本発明のガスセンサは、前記ガス反応触媒膜が前記IDT電極を覆う絶縁膜上でかつ、前記弾性表面波伝播路上に形成されていることが望ましい。
また、本発明のガスセンサは、前記IDT電極を覆う絶縁膜を有し、前記ガス反応触媒膜が前記絶縁膜上でかつ、前記伝播路上に設けられていることが望ましい。
In the gas sensor of the present invention, it is preferable that the gas reaction catalyst film is formed on an insulating film covering the IDT electrode and on the surface acoustic wave propagation path.
The gas sensor of the present invention preferably includes an insulating film that covers the IDT electrode, and the gas reaction catalyst film is provided on the insulating film and on the propagation path.

この構成によれば、絶縁膜を介してガス反応触媒膜が設けられることから、IDT電極
とガス反応触媒膜との短絡を防止し、より広い面積にガス反応触媒膜を配置することが可
能である。このことから、ガスによる発熱を充分に圧電基板表面に伝達することができ、
圧電基板表面の温度上昇に時間がかからず、応答性および感度の優れたガスセンサを提供
できる。
According to this configuration, since the gas reaction catalyst film is provided via the insulating film, it is possible to prevent a short circuit between the IDT electrode and the gas reaction catalyst film and to dispose the gas reaction catalyst film in a wider area. is there. From this, the heat generated by the gas can be sufficiently transmitted to the surface of the piezoelectric substrate,
It is possible to provide a gas sensor having excellent responsiveness and sensitivity without taking time to increase the temperature of the surface of the piezoelectric substrate.

本発明のガスセンサは、前記ガス反応触媒膜は白金またはパラジウムから選択される材料で形成されていることが望ましい。
また、本発明のガスセンサは、前記ガス反応触媒膜に白金またはパラジウムが用いられていることが望ましい。
In the gas sensor of the present invention, the gas reaction catalyst film is preferably formed of a material selected from platinum or palladium.
In the gas sensor of the present invention, it is desirable that platinum or palladium is used for the gas reaction catalyst film.

この構成によれば、ガス反応触媒膜として白金またはパラジウムを利用することで、高
い水素選択性を持ち、水素を含まない他の可燃性ガスにほとんど応答しないガス反応触媒
膜を構成することができる。
According to this configuration, by using platinum or palladium as the gas reaction catalyst membrane, a gas reaction catalyst membrane having high hydrogen selectivity and hardly responding to other flammable gases not containing hydrogen can be configured. .

本発明のガスセンサは、前記IDT電極より励振される弾性表面波がレイリー波または
STW波であることが望ましい。
In the gas sensor of the present invention, the surface acoustic wave excited from the IDT electrode is preferably a Rayleigh wave or an STW wave.

この構成によれば、レイリー波およびSTW波は、基板表面の数μm程度の領域に弾性波が集中しており、基板表面部分の温度変化が弾性表面波の周波数の変化として時間をおかずに現れる。このことから、弾性表面波として、レイリー波またはSTW波を用いることで、水素などのガス検出において応答性のよいガスセンサを提供することができる。
本発明の水素濃度検出システムは、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられたIDT電極と、前記圧電基板上に設けられ、水素を含むガスに反応して発熱するガス反応触媒膜と、前記IDT電極を励振させる発振回路と、を備え、前記ガス反応触媒膜が前記IDT電極で励振される弾性表面波の伝播路上に設けられ、前記圧電基板に水晶基板が用いられ、水晶の結晶の電気軸をX軸、機械軸をY軸、光学軸をZ軸とした場合、前記水晶基板は、前記X軸と前記Z軸とを含む平面を、前記X軸を回転軸とし、前記結晶の+Z軸から前記結晶の−Y軸へ回転する方向を正として、θ°回転してできる平面を主面としたものであり、前記IDT電極は、前記弾性表面波が前記X軸に平行に伝播するように設けられており、前記θが33以上53以下を満たすことを特徴とする。
According to this configuration, the Rayleigh wave and the STW wave are concentrated in an area of about several μm on the substrate surface, and the temperature change of the substrate surface portion appears as a change in the frequency of the surface acoustic wave without taking time. . Therefore, by using a Rayleigh wave or STW wave as the surface acoustic wave, it is possible to provide a gas sensor with good responsiveness in detecting gas such as hydrogen.
The hydrogen concentration detection system of the present invention includes a piezoelectric substrate, an IDT electrode provided on the piezoelectric substrate, a gas reaction catalyst film provided on the piezoelectric substrate and generating heat in response to a gas containing hydrogen , An oscillation circuit for exciting the IDT electrode, wherein the gas reaction catalyst film is provided on a propagation path of the surface acoustic wave excited by the IDT electrode, a quartz substrate is used as the piezoelectric substrate, When the axis is the X-axis, the mechanical axis is the Y-axis, and the optical axis is the Z-axis, the crystal substrate is a plane including the X-axis and the Z-axis, the X-axis is the rotation axis, and + Z of the crystal The IDT electrode has a plane that is rotated by θ ° with the direction of rotation from the axis to the −Y axis of the crystal as positive, and the surface acoustic wave propagates parallel to the X axis. The θ is 33 or more and 53 or less. Characterized in that the plus.

以下、本発明を具体化したガスセンサの実施形態について水素センサを例にとり、図面
に従って説明する。
(第1の実施形態)
Hereinafter, an embodiment of a gas sensor embodying the present invention will be described with reference to the drawings, taking a hydrogen sensor as an example.
(First embodiment)

図1は本実施形態の水素センサに係る水素反応検出素子の構成を示す構成図であり、図
1(a)は模式平面図、図1(b)は同図(a)のA−A断線に沿う模式断面図である。
水素反応検出素子3は、圧電材料からなる水晶基板11の表面にIDT電極13、反射
器15、水素反応触媒膜14を備えている。このように、本実施形態の水素センサは1ポ
ート共振子型の弾性表面波装置が利用されている。
IDT電極13は、アルミニウム(Al)またはアルミニウム合金からなる多数の交差
指電極12a,12bが交互に配列され弾性表面波を励振できるように構成されている。
この、励振される弾性表面波としては様々なタイプの弾性表面波を利用することができる
が、基板表面に弾性波が集中するレイリー波、STW波(SH波の一種)などが好適であ
る。また、このIDT電極13の略中央の交差指電極12a,12bの間には、白金(P
t)またはパラジウム(Pd)からなる水素反応触媒膜14が、IDT電極13で励振さ
れる弾性表面波の伝播路に形成されている。
なお、IDT電極13の交差指電極12a,12bのピッチをPとすると、弾性表面波
の波長λはλ=2Pと表される。また、IDT電極13の厚みをHとするとしたとき、規
格化電極厚みH/λがH/λ=0.08に設定されている。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a hydrogen reaction detecting element according to the hydrogen sensor of the present embodiment, FIG. 1 (a) is a schematic plan view, and FIG. 1 (b) is an AA disconnection in FIG. 1 (a). FIG.
The hydrogen reaction detection element 3 includes an IDT electrode 13, a reflector 15, and a hydrogen reaction catalyst film 14 on the surface of a quartz crystal substrate 11 made of a piezoelectric material. As described above, the hydrogen sensor of this embodiment uses a 1-port resonator type surface acoustic wave device.
The IDT electrode 13 is configured such that a number of interdigital electrodes 12a and 12b made of aluminum (Al) or an aluminum alloy are alternately arranged to excite surface acoustic waves.
Although various types of surface acoustic waves can be used as the excited surface acoustic waves, Rayleigh waves and STW waves (a type of SH waves) in which the elastic waves are concentrated on the substrate surface are suitable. Further, between the crossed finger electrodes 12a and 12b at substantially the center of the IDT electrode 13, platinum (P
The hydrogen reaction catalyst film 14 made of t) or palladium (Pd) is formed in the propagation path of the surface acoustic wave excited by the IDT electrode 13.
When the pitch of the interdigital electrodes 12a and 12b of the IDT electrode 13 is P, the wavelength λ of the surface acoustic wave is expressed as λ = 2P. When the thickness of the IDT electrode 13 is H, the normalized electrode thickness H / λ is set to H / λ = 0.08.

そして、弾性表面波の伝播する方向におけるIDT電極13の両側には、格子構造のア
ルミニウム(Al)またはアルミニウム合金からなる反射器15が配置されている。
また、IDT電極13の交差指電極12aは入力側端子16に接続され、交差指電極1
2bは出力側端子17に接続されている。この入力側端子16および出力側端子17は、
IDT電極13を励振させる発振回路(図示せず)に接続されている。このように、共振
子型の弾性表面波装置を利用する水素反応検出素子3と発振回路とを備えることで、水素
センサを構成している。
なお、IDT電極13、反射器15、水素反応触媒膜14は、真空蒸着、スパッタリン
グ、およびフォトリソグラフィなどの従来方法を用いて形成されている。
A reflector 15 made of aluminum (Al) or aluminum alloy having a lattice structure is disposed on both sides of the IDT electrode 13 in the direction in which the surface acoustic wave propagates.
Further, the cross finger electrode 12a of the IDT electrode 13 is connected to the input side terminal 16, and the cross finger electrode 1 is connected.
2 b is connected to the output side terminal 17. The input side terminal 16 and the output side terminal 17 are
It is connected to an oscillation circuit (not shown) that excites the IDT electrode 13. As described above, the hydrogen sensor is configured by including the hydrogen reaction detecting element 3 using the resonator-type surface acoustic wave device and the oscillation circuit.
The IDT electrode 13, the reflector 15, and the hydrogen reaction catalyst film 14 are formed using conventional methods such as vacuum deposition, sputtering, and photolithography.

ここで、水晶基板11のカット角(切断方位)について詳細に説明する。水晶にはカッ
ト角に依存する周波数温度特性があり、このカット角を適宜選択することで所望の温度感
度係数が得られる。
図2は本実施形態に用いる水晶基板のカット角を説明する説明図である。
水晶のそれぞれ直交する3つの結晶軸において、電気軸をX軸、機械軸をY軸、光学軸
をZ軸とする。
図2に示すように、水晶基板はX軸とZ軸の作る平面を主面とするY板を、X軸の回り
に反時計方向にθ°回転してできる水晶基板1を用いている。そして、X軸と平行な方向
に弾性表面波が伝播するようにIDT電極2を形成している。Y板をX軸の回りに反時計
方向の回転を正符号として表示した場合、本実施形態ではカット角θ=33〜53(°)
となるカット角を用いている。
Here, the cut angle (cutting orientation) of the quartz substrate 11 will be described in detail. Quartz has a frequency-temperature characteristic that depends on the cut angle, and a desired temperature sensitivity coefficient can be obtained by appropriately selecting the cut angle.
FIG. 2 is an explanatory view for explaining the cut angle of the quartz crystal substrate used in this embodiment.
Of the three crystal axes that are orthogonal to each other, the electrical axis is the X axis, the mechanical axis is the Y axis, and the optical axis is the Z axis.
As shown in FIG. 2, a quartz substrate 1 is used which is obtained by rotating a Y plate whose principal surface is a plane formed by an X axis and a Z axis by rotating θ ° counterclockwise around the X axis. The IDT electrode 2 is formed so that the surface acoustic wave propagates in a direction parallel to the X axis. When the counterclockwise rotation about the X axis is displayed as a positive sign, the cut angle θ = 33 to 53 (°) in this embodiment.
A cut angle is used.

次に、上記のようにカット角を設定した経緯について説明する。
本発明の水素センサは接触燃焼式であることから、水素反応触媒膜に水素ガスが接触し
た際に生ずる発熱を利用している。この発熱により発生する熱量は微量であるため、温度
変化を効率よく検出する必要があり、周波数における温度依存性の高い水晶基板が望まれ
る。
水晶基板における固有周波数の温度依存性は、水晶基板の熱膨張による変化、弾性定数
の温度依存性、熱膨張による密度変化に関係し、これらを考慮して水晶のカット角を選択
することにより決定した。
Next, how the cut angle is set as described above will be described.
Since the hydrogen sensor of the present invention is a contact combustion type, it uses heat generated when hydrogen gas contacts the hydrogen reaction catalyst film. Since the amount of heat generated by this heat generation is very small, it is necessary to efficiently detect a temperature change, and a quartz substrate having a high temperature dependency in frequency is desired.
The temperature dependence of the natural frequency in a quartz substrate is related to the change due to thermal expansion of the quartz substrate, the temperature dependence of the elastic constant, and the density change due to thermal expansion. did.

さらに、水晶のカット角を選定するにあたり以下の点について考慮した。まず、水素濃
度の検出感度を0.1%以下とした場合、水素濃度5%を検出する際の温度変化は2〜3
℃であり、水素濃度0.1%あたり0.04〜0.06℃の温度変化となる。ここで、周
波数の検出限界は1ppm程度であり、水晶基板の温度感度(温度感度係数)が30pp
m/℃以上あれば、水素濃度0.1%あたり1.2ppm以上の周波数変化を得ることが
できる。ここで、1℃の温度変化における周波数変化を周波数偏差で表した値を温度感度
係数(ppm/℃)と呼ぶ。
また一方、この温度感度係数を大きくすることは、水素濃度の検出感度を向上させるが
、温度感度係数が大きいと周波数の変動も大きくなり、扱いが困難になる。水素センサの
使用温度範囲を50〜220℃とすると、170℃の温度変化で約10000ppmの周
波数変動の得られる温度感度係数60ppm/℃が適当であると考えられる。
このことから、温度感度係数の絶対値が30〜60ppm/℃となる水晶のカット角を
選ぶことが、水素センサに用いる水晶基板に適しているといえる。
Furthermore, the following points were considered in selecting the crystal cut angle. First, when the detection sensitivity of the hydrogen concentration is 0.1% or less, the temperature change when detecting the hydrogen concentration of 5% is 2 to 3
The temperature change is 0.04 to 0.06 ° C. per hydrogen concentration of 0.1%. Here, the frequency detection limit is about 1 ppm, and the temperature sensitivity (temperature sensitivity coefficient) of the quartz substrate is 30 pp.
If m / ° C. or more, a frequency change of 1.2 ppm or more per hydrogen concentration of 0.1% can be obtained. Here, a value representing a frequency change by a frequency deviation at a temperature change of 1 ° C. is called a temperature sensitivity coefficient (ppm / ° C.).
On the other hand, increasing the temperature sensitivity coefficient improves the detection sensitivity of the hydrogen concentration. However, if the temperature sensitivity coefficient is large, the fluctuation of the frequency increases and the handling becomes difficult. Assuming that the operating temperature range of the hydrogen sensor is 50 to 220 ° C., a temperature sensitivity coefficient of 60 ppm / ° C. at which a frequency variation of about 10,000 ppm is obtained with a temperature change of 170 ° C. is considered appropriate.
From this, it can be said that selecting a crystal cut angle at which the absolute value of the temperature sensitivity coefficient is 30 to 60 ppm / ° C. is suitable for a crystal substrate used in a hydrogen sensor.

図3は図2で説明した水晶基板において、X軸を回転軸としてθ°回転したときのθ°
と温度感度係数との関係を示すグラフである。ここでは、動作温度が100℃、IDT電
極の規格化電極厚みがH/λ=0.08のときのθと温度感度係数との関係を示すグラフ
である。
このグラフから、温度感度係数の絶対値が30〜60ppm/℃のカット角θを選択す
ると、θ=33〜53(°)となる。
FIG. 3 shows the θ ° when the quartz substrate described in FIG. 2 is rotated by θ ° with the X axis as the rotation axis.
And a temperature sensitivity coefficient. Here, the graph shows the relationship between θ and the temperature sensitivity coefficient when the operating temperature is 100 ° C. and the normalized electrode thickness of the IDT electrode is H / λ = 0.08.
From this graph, when a cut angle θ having an absolute value of the temperature sensitivity coefficient of 30 to 60 ppm / ° C. is selected, θ = 33 to 53 (°).

以上のような構成の水素センサにおいて、水素反応検出素子3は、例えばカット角θ=
33(°)の場合、図4に示すような周波数温度特性を示す。このグラフによれば、水素
反応検出素子3は水晶基板11の温度が上昇するに従い、周波数が低下していく傾向にあ
ることが分かる。
図1に戻り、このような特性をもつ水素反応検出素子3を備えた水素センサは、水素反
応触媒膜14に水素を含むガスが接触して発熱し、その熱が水晶基板11に伝わり、水晶
基板11の温度が上昇する。発振回路により励振されたIDT電極13はこの温度に対応
する周波数を発振する。例えば、この検出された周波数と、水素が存在しない状態で励振
された周波数との差(周波数シフト)から水素濃度を検知することが可能となる。
図5は弾性表面波の周波数シフトと水素濃度の相関を示すグラフであり、カット角θ=
33(°)(温度感度係数:30ppm/℃)、動作温度100℃の場合である。このよ
うに周波数シフトは水素濃度に対応し、周波数シフトから水素濃度を検知することができ
る。
In the hydrogen sensor configured as described above, the hydrogen reaction detecting element 3 has, for example, a cut angle θ =
In the case of 33 (°), a frequency temperature characteristic as shown in FIG. 4 is shown. According to this graph, it can be seen that the frequency of the hydrogen reaction detecting element 3 tends to decrease as the temperature of the quartz substrate 11 increases.
Returning to FIG. 1, the hydrogen sensor including the hydrogen reaction detecting element 3 having such characteristics generates heat when a gas containing hydrogen contacts the hydrogen reaction catalyst film 14, and the heat is transmitted to the crystal substrate 11, and the crystal The temperature of the substrate 11 rises. The IDT electrode 13 excited by the oscillation circuit oscillates at a frequency corresponding to this temperature. For example, the hydrogen concentration can be detected from the difference (frequency shift) between the detected frequency and the frequency excited in the absence of hydrogen.
FIG. 5 is a graph showing the correlation between the frequency shift of the surface acoustic wave and the hydrogen concentration, and the cut angle θ =
This is a case of 33 (°) (temperature sensitivity coefficient: 30 ppm / ° C.) and an operating temperature of 100 ° C. Thus, the frequency shift corresponds to the hydrogen concentration, and the hydrogen concentration can be detected from the frequency shift.

このような水素反応検出素子3において、入力側端子16と出力側端子17の間に所定
の高周波信号電圧を印加すると、水晶基板11の表面に入力信号と同じ周波数の弾性表面
波が励振される。弾性表面波はIDT電極13の両側に伝播し、左右の反射器15に反射
されてIDT電極13の中央に向けて戻る結果、弾性表面波が両反射器15の間に閉じ込
められ、定在波が発生する。
水素反応触媒膜14が水素と接触すると、水素反応触媒膜14が発熱して水晶基板11
の温度が上昇する。水晶基板11は、温度によりこの水晶基板を伝播する波の音速が変化
する特性を有しているため、水晶基板11の温度上昇に伴い弾性表面波が伝播する速度、
つまり周波数が変化する。そして、この周波数の変化を検知することで、水素の存在また
は水素の濃度を検知することが可能となる。
In such a hydrogen reaction detecting element 3, when a predetermined high frequency signal voltage is applied between the input side terminal 16 and the output side terminal 17, a surface acoustic wave having the same frequency as the input signal is excited on the surface of the quartz substrate 11. . The surface acoustic wave propagates to both sides of the IDT electrode 13, is reflected by the left and right reflectors 15 and returns toward the center of the IDT electrode 13. As a result, the surface acoustic wave is confined between the reflectors 15, and the standing wave Will occur.
When the hydrogen reaction catalyst film 14 comes into contact with hydrogen, the hydrogen reaction catalyst film 14 generates heat, and the crystal substrate 11
Temperature rises. Since the quartz substrate 11 has a characteristic that the sound velocity of the wave propagating through the quartz substrate changes depending on the temperature, the velocity at which the surface acoustic wave propagates as the temperature of the quartz substrate 11 increases,
That is, the frequency changes. By detecting this change in frequency, the presence of hydrogen or the concentration of hydrogen can be detected.

また、従来のトランスバーサル型の弾性表面波装置は中心周波数に関して、ある程度の
帯域幅を持った周波数特性を有するのに対して、共振子型の弾性表面波装置は中心周波数
の帯域幅が狭く、高いQ値を有する。このことから、トランスバーサル型の弾性表面波装
置を利用するよりも共振子型の弾性表面波装置を利用するほうが、低ノイズ化を図ること
ができ、その感度を向上させることができる。
そして、水素反応触媒膜14として白金またはパラジウムを利用することで、高い水素
選択性を持ち、水素を含まない他の可燃性ガスにほとんど応答しないガス反応触媒膜を構
成することができる。
The conventional transversal surface acoustic wave device has a frequency characteristic with a certain bandwidth with respect to the center frequency, whereas the resonator type surface acoustic wave device has a narrow center frequency bandwidth, Has a high Q value. From this, it is possible to reduce noise and improve the sensitivity by using a resonator type surface acoustic wave device rather than using a transversal type surface acoustic wave device.
Then, by using platinum or palladium as the hydrogen reaction catalyst film 14, a gas reaction catalyst film having high hydrogen selectivity and hardly responding to other combustible gas not containing hydrogen can be formed.

さらに、水晶は加工性が良く量産に適し、また、水晶の主面のカット角(切断方位)を
適宜選択することで水晶基板の温度感度係数を調整できる利点がある。つまり、水晶の主
面のカット角を適宜選択することで温度に対する良好な感度を得ることができ、ひいては
、水素濃度を感度良く検知でき、かつ量産性に優れた水素センサを得ることができる。
また、IDT電極13から励振される弾性表面波として、基板表面の集中度が高いレイ
リー波またはSTW波を用いることが好ましい。このレイリー波およびSTW波は、基板
表面の数μm程度の領域に弾性波が集中しており、基板表面部分の温度変化が周波数の変
化として時間をおかずに現れる。このことから、弾性表面波として、レイリー波またはS
TW波を用いることで、水素などのガス検出において追従性のよい水素センサを提供する
ことができる。
(変形例)
Furthermore, quartz has good workability and is suitable for mass production, and has an advantage that the temperature sensitivity coefficient of the quartz substrate can be adjusted by appropriately selecting the cut angle (cutting orientation) of the main surface of the quartz. That is, by appropriately selecting the cut angle of the main surface of the crystal, it is possible to obtain a good sensitivity to temperature, and in turn, a hydrogen sensor that can detect the hydrogen concentration with high sensitivity and is excellent in mass productivity.
Further, as the surface acoustic wave excited from the IDT electrode 13, it is preferable to use a Rayleigh wave or STW wave having a high concentration on the substrate surface. The Rayleigh wave and the STW wave are concentrated in an area of about several μm on the substrate surface, and a temperature change on the substrate surface portion appears as a frequency change without taking time. From this, as a surface acoustic wave, Rayleigh wave or S
By using the TW wave, it is possible to provide a hydrogen sensor with good followability in detecting gas such as hydrogen.
(Modification)

図6は、水素反応検出素子における水素反応触媒膜の配置を変えた変形例の構成を示す
模式平面図である。
図6(a)に示す変形例の水素反応検出素子3aは、第1の実施形態と同様に1ポート
共振子型の弾性表面波装置を利用し、水晶基板21表面に交差指電極22a,22bが交
互に配列されたIDT電極23と水素反応触媒膜24とを弾性表面波の伝播経路に沿って
配置し、それらの両側に反射器25を配置している。
また、図6(b)に示す変形例の水素反応検出素子3bは、2ポート共振子型の弾性表
面波装置を利用し、水晶基板31表面に励振用IDT電極32及び受信用IDT電極33
と、この両IDT電極間の弾性表面波の伝播経路に配置された水素反応触媒膜34と、そ
れらを挟むように左右両側に配置された反射器35とを有している。
FIG. 6 is a schematic plan view showing the configuration of a modified example in which the arrangement of the hydrogen reaction catalyst film in the hydrogen reaction detecting element is changed.
The hydrogen reaction detecting element 3a of the modification shown in FIG. 6A uses a 1-port resonator type surface acoustic wave device as in the first embodiment, and the interdigital electrodes 22a and 22b are formed on the surface of the quartz substrate 21. Are arranged along the propagation path of the surface acoustic wave, and reflectors 25 are arranged on both sides thereof.
6B uses a two-port resonator type surface acoustic wave device, and an excitation IDT electrode 32 and a reception IDT electrode 33 are formed on the surface of the quartz substrate 31. The hydrogen reaction detection element 3b shown in FIG.
And a hydrogen reaction catalyst film 34 disposed in the propagation path of the surface acoustic wave between both IDT electrodes, and reflectors 35 disposed on both the left and right sides so as to sandwich them.

上記のような、それぞれの水素反応検出素子3a,3bにおいても、水素反応触媒膜2
4,34に水素が接触して発熱し、水晶基板21,31の温度が上昇する。このことから
、水晶基板21,31を伝播する弾性表面波の速度、つまり周波数が変化する。そして、
温度変化を周波数信号として検出することで、水素の存在または水素の濃度を検知するこ
とが可能であり、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第2の実施形態)
Also in each of the hydrogen reaction detecting elements 3a and 3b as described above, the hydrogen reaction catalyst film 2
4 and 34 come into contact with hydrogen and generate heat, and the temperature of the quartz substrates 21 and 31 rises. From this, the speed, that is, the frequency of the surface acoustic wave propagating through the quartz substrates 21 and 31 changes. And
By detecting the temperature change as a frequency signal, the presence of hydrogen or the concentration of hydrogen can be detected, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(Second Embodiment)

次に第2の実施形態における水素センサについて説明する。
この水素センサは水素反応検出素子の構成が第1の実施形態と異なり、この水素反応検
出素子の構成について詳細に説明する。
Next, a hydrogen sensor in the second embodiment will be described.
This hydrogen sensor is different from the first embodiment in the configuration of the hydrogen reaction detection element, and the configuration of the hydrogen reaction detection element will be described in detail.

図7は本実施形態の水素センサに係る水素反応検出素子の構成を示す構成図であり、図
7(a)は模式平面図、図7(b)は同図(a)のB−B断線に沿う模式部分断面図であ
る。
水素反応検出素子4は、圧電材料である水晶基板41の表面にIDT電極43、反射器
45、水素反応触媒膜44を備えている。このように、本実施形態の水素センサは1ポー
ト共振子型の弾性表面波装置が利用されている。
IDT電極43は、アルミニウム(Al)またはアルミニウム合金からなる多数の交差
指電極42a,42bが交互に配列され弾性表面波を励振できるように構成されている。
この、励振される弾性表面波としては様々なタイプの弾性表面波を利用することができる
が、基板表面に弾性波が集中するレイリー波、STW波(SH波の一種)などが好適であ
る。また、弾性表面波の伝播路であるIDT電極43の略中央部の表面には、Al23
らなる絶縁膜48が形成され、その上に白金(Pt)またはパラジウム(Pd)からなる
水素反応触媒膜44が形成されている。なお、このAl23からなる絶縁膜48は陽極酸
化法などの手法により形成され、IDT電極43の一部だけでなくIDT電極43の表面
全体に形成しても良い。
7A and 7B are configuration diagrams showing the configuration of the hydrogen reaction detecting element according to the hydrogen sensor of the present embodiment. FIG. 7A is a schematic plan view, and FIG. 7B is a broken line BB in FIG. FIG.
The hydrogen reaction detecting element 4 includes an IDT electrode 43, a reflector 45, and a hydrogen reaction catalyst film 44 on the surface of a quartz crystal substrate 41 that is a piezoelectric material. As described above, the hydrogen sensor of this embodiment uses a 1-port resonator type surface acoustic wave device.
The IDT electrode 43 is configured such that a large number of crossed finger electrodes 42a and 42b made of aluminum (Al) or an aluminum alloy are alternately arranged to excite surface acoustic waves.
Although various types of surface acoustic waves can be used as the excited surface acoustic waves, Rayleigh waves and STW waves (a type of SH waves) in which the elastic waves are concentrated on the substrate surface are suitable. An insulating film 48 made of Al 2 O 3 is formed on the surface of the IDT electrode 43 that is a propagation path of the surface acoustic wave, and hydrogen made of platinum (Pt) or palladium (Pd) is formed thereon. A reaction catalyst film 44 is formed. The insulating film 48 made of Al 2 O 3 is formed by a technique such as an anodic oxidation method, and may be formed not only on a part of the IDT electrode 43 but also on the entire surface of the IDT electrode 43.

そして、弾性表面波の伝播する方向におけるIDT電極43の両側には、格子構造のア
ルミニウム(Al)またはアルミニウム合金からなる反射器45が配置されている。
また、IDT電極43の交差指電極42aは入力側端子46に接続され、交差指電極4
2bは出力側端子47に接続されている。この入力側端子46および出力側端子47は、
IDT電極43を励振させる発振回路(図示せず)に接続されている。このように、共振
子型の弾性表面波装置を利用する水素反応検出素子4と発振回路とを備えることで、水素
センサを構成している。
なお、IDT電極43、反射器45、水素反応触媒膜44は、真空蒸着、スパッタリン
グ、およびフォトリソグラフィなどの従来方法を用いて形成されている。
また、水晶基板41のカット角(切断方位)については、第1の実施形態と同様であり
、説明を省略する。このカット角を適宜選択することで所望の温度感度係数が得られてい
る。
A reflector 45 made of aluminum (Al) or aluminum alloy having a lattice structure is disposed on both sides of the IDT electrode 43 in the direction in which the surface acoustic wave propagates.
Further, the cross finger electrode 42 a of the IDT electrode 43 is connected to the input side terminal 46, and the cross finger electrode 4.
2 b is connected to the output side terminal 47. The input side terminal 46 and the output side terminal 47 are
It is connected to an oscillation circuit (not shown) that excites the IDT electrode 43. As described above, the hydrogen sensor is configured by including the hydrogen reaction detecting element 4 using the resonator type surface acoustic wave device and the oscillation circuit.
The IDT electrode 43, the reflector 45, and the hydrogen reaction catalyst film 44 are formed using conventional methods such as vacuum deposition, sputtering, and photolithography.
Further, the cut angle (cutting direction) of the quartz substrate 41 is the same as in the first embodiment, and the description thereof is omitted. A desired temperature sensitivity coefficient is obtained by appropriately selecting the cut angle.

このような構成の水素反応検出素子4を備えた水素センサは、水素反応触媒膜44が水
素と接触すると、水素反応触媒膜44が発熱して、その熱が水晶基板41に伝えられて水
晶基板41の温度が上昇する。すると、水晶基板41の温度上昇に伴い弾性表面波が伝播
する速度、つまり周波数が変化する。そして、周波数の変化を検知することで、水素の存
在または水素の濃度を検知することが可能となる。
In the hydrogen sensor including the hydrogen reaction detecting element 4 having such a configuration, when the hydrogen reaction catalyst film 44 comes into contact with hydrogen, the hydrogen reaction catalyst film 44 generates heat, and the heat is transmitted to the crystal substrate 41 so that the crystal substrate The temperature of 41 rises. Then, as the temperature of the quartz substrate 41 rises, the speed at which the surface acoustic wave propagates, that is, the frequency changes. By detecting a change in frequency, it is possible to detect the presence of hydrogen or the concentration of hydrogen.

以上のように、本実施形態の水素センサは、絶縁膜48を介して水素反応触媒膜44が
設けられることから、IDT電極43と水素反応触媒膜44との短絡を防止し、より広い
面積に水素反応触媒膜44を配置することが可能である。このことから、ガスによる発熱
を充分に水晶基板41表面に伝達することができ、水晶基板41表面の温度上昇に時間が
かからず、応答性および感度の優れた水素センサを提供できる。
また、実施形態の水素センサは水晶基板41の温度に起因する周波数信号を検出して水
素を検知することができることから、従来の電圧を検出してガスを検知する方法に比べて
感度良くガスを検知することができる。
また、従来のトランスバーサル型の弾性表面波装置は中心周波数に関して、ある程度の
帯域幅を持った周波数特性を有するのに対して、共振子型の弾性表面波装置は中心周波数
の帯域幅が狭く、高いQ値を有する。このことから、トランスバーサル型の弾性表面波装
置を利用するよりも共振子型の弾性表面波装置を利用するほうが、低ノイズ化を図ること
ができ、その感度を向上させることができる。
そして、水素反応触媒膜44として白金またはパラジウムを利用することで、高い水素
選択性を持ち、水素を含まない他の可燃性ガスにほとんど応答しないガス反応触媒膜を構
成することができる。
(変形例)
As described above, in the hydrogen sensor of this embodiment, since the hydrogen reaction catalyst film 44 is provided via the insulating film 48, a short circuit between the IDT electrode 43 and the hydrogen reaction catalyst film 44 is prevented, and the area is increased. It is possible to arrange the hydrogen reaction catalyst film 44. From this, the heat generated by the gas can be sufficiently transmitted to the surface of the quartz substrate 41, and the temperature rise of the surface of the quartz substrate 41 does not take time, and a hydrogen sensor excellent in responsiveness and sensitivity can be provided.
In addition, since the hydrogen sensor of the embodiment can detect hydrogen by detecting a frequency signal caused by the temperature of the quartz substrate 41, gas can be detected with higher sensitivity than the conventional method of detecting gas by detecting voltage. Can be detected.
The conventional transversal surface acoustic wave device has a frequency characteristic with a certain bandwidth with respect to the center frequency, whereas the resonator type surface acoustic wave device has a narrow center frequency bandwidth, Has a high Q value. From this, it is possible to reduce noise and improve the sensitivity by using a resonator type surface acoustic wave device rather than using a transversal type surface acoustic wave device.
By using platinum or palladium as the hydrogen reaction catalyst film 44, a gas reaction catalyst film having high hydrogen selectivity and hardly responding to other combustible gases not containing hydrogen can be formed.
(Modification)

次に第2の実施形態における水素センサの変形例ついて説明する。
この水素センサは水素反応検出素子の構成が第2の実施形態と異なり、この水素反応検
出素子の構成について詳細に説明する。なお、第2の実施形態と同様の構成については同
符号を付し、説明を省略する。
Next, a modification of the hydrogen sensor in the second embodiment will be described.
This hydrogen sensor differs from the second embodiment in the configuration of the hydrogen reaction detection element, and the configuration of the hydrogen reaction detection element will be described in detail. In addition, about the structure similar to 2nd Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

図8は変形例の水素センサに係る水素反応検出素子の構成を示す構成図であり、図8(
a)は模式平面図、図8(b)は同図(a)のC−C断線に沿う模式部分断面図である。
水素反応検出素子5は、圧電材料である水晶基板41の表面にIDT電極43、反射器
45、水素反応触媒膜54を備えている。このように、本変形例の水素センサは1ポート
共振子型の弾性表面波装置が利用されている。そして、IDT電極43の略中央部にはI
DT電極43を覆うように、SiO2からなる絶縁膜58が形成され、その上に白金(P
t)またはパラジウム(Pd)からなる水素反応触媒膜54が形成されている。
FIG. 8 is a configuration diagram showing the configuration of the hydrogen reaction detecting element according to the modified hydrogen sensor.
FIG. 8A is a schematic plan view, and FIG. 8B is a schematic partial cross-sectional view taken along the line CC in FIG.
The hydrogen reaction detecting element 5 includes an IDT electrode 43, a reflector 45, and a hydrogen reaction catalyst film 54 on the surface of a quartz crystal substrate 41 that is a piezoelectric material. As described above, the hydrogen sensor of this modification uses a 1-port resonator type surface acoustic wave device. The IDT electrode 43 has an I
An insulating film 58 made of SiO 2 is formed so as to cover the DT electrode 43, and platinum (P
A hydrogen reaction catalyst film 54 made of t) or palladium (Pd) is formed.

また、IDT電極43の交差指電極42aは入力側端子46に接続され、交差指電極4
2bは出力側端子47に接続されている。この入力側端子46および出力側端子47は、
IDT電極43を励振させる発振回路(図示せず)に接続されている。このように、共振
子型の弾性表面波装置を利用する水素反応検出素子5と発振回路とを備えることで、水素
センサを構成している。
Further, the cross finger electrode 42 a of the IDT electrode 43 is connected to the input side terminal 46, and the cross finger electrode 4.
2 b is connected to the output side terminal 47. The input side terminal 46 and the output side terminal 47 are
It is connected to an oscillation circuit (not shown) that excites the IDT electrode 43. As described above, the hydrogen sensor is configured by including the hydrogen reaction detecting element 5 using the resonator type surface acoustic wave device and the oscillation circuit.

以上のように、本変形例の水素センサは第2の実施形態と同様に、絶縁膜58を介して
水素反応触媒膜54が設けられることから、IDT電極43と水素反応触媒膜54との短
絡を防止し、より広い面積に水素反応触媒膜54を配置することが可能である。このこと
から、ガスによる発熱を充分に水晶基板41表面に伝達することができ、水晶基板41表
面の温度上昇に時間がかからず、応答性および感度の優れた水素センサを提供できる。
As described above, since the hydrogen sensor of the present modification is provided with the hydrogen reaction catalyst film 54 via the insulating film 58 as in the second embodiment, the IDT electrode 43 and the hydrogen reaction catalyst film 54 are short-circuited. It is possible to arrange the hydrogen reaction catalyst film 54 in a wider area. From this, the heat generated by the gas can be sufficiently transmitted to the surface of the quartz substrate 41, and the temperature rise of the surface of the quartz substrate 41 does not take time, and a hydrogen sensor excellent in responsiveness and sensitivity can be provided.

次に、本実施形態の水素センサを用いた水素濃度検出システムの一例を説明する。
図9は水素センサを用いた水素濃度検出システムの構成を示す概略構成図である。
水素センサ71は水素反応検出素子3と発振回路70を備えている。水素反応検出素子
3には帰還抵抗6、インバータ7が並列に接続され、ゲート側にはゲート容量8、ドレイ
ン側にはドレイン容量9が接続され、水素反応検出素子3のIDT電極を励振させる発振
回路70を構成している。
水素センサ71の発振回路70は整流器72に接続され、整流器72は周波数カウンタ
73に接続されている。さらに、周波数カウンタ73は演算器74に接続され、演算器7
4から所望の信号を出力する。
Next, an example of a hydrogen concentration detection system using the hydrogen sensor of this embodiment will be described.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a hydrogen concentration detection system using a hydrogen sensor.
The hydrogen sensor 71 includes a hydrogen reaction detection element 3 and an oscillation circuit 70. A feedback resistor 6 and an inverter 7 are connected in parallel to the hydrogen reaction detecting element 3, a gate capacitor 8 is connected to the gate side, and a drain capacitor 9 is connected to the drain side to oscillate the IDT electrode of the hydrogen reaction detecting element 3. A circuit 70 is configured.
The oscillation circuit 70 of the hydrogen sensor 71 is connected to a rectifier 72, and the rectifier 72 is connected to a frequency counter 73. Further, the frequency counter 73 is connected to the arithmetic unit 74, and the arithmetic unit 7
4 outputs a desired signal.

このような構成の水素濃度検出システムにおいて、発振回路70により水素反応検出素
子3の周波数信号が整流器72に出力される。整流器72において周波数信号が整流され
、周波数カウンタ73に出力される。周波数カウンタ73にて周波数が計測され演算器7
4に出力される。演算器74では、例えば、計測された周波数と基準となる周波数とから
水素濃度を演算し、水素濃度の値、規格値を超えた場合のアラーム信号、電磁弁制御の信
号などを生成して出力する。
このように、水素濃度検出システムでは、水素センサ71から出力される周波数信号を
用いて水素濃度を検知することができ、この得られた水素濃度を基に様々な機器へ制御信
号などを出力することができる。
In the hydrogen concentration detection system having such a configuration, the oscillation circuit 70 outputs the frequency signal of the hydrogen reaction detection element 3 to the rectifier 72. The frequency signal is rectified in the rectifier 72 and output to the frequency counter 73. The frequency is measured by the frequency counter 73 and the calculator 7
4 is output. The computing unit 74, for example, computes the hydrogen concentration from the measured frequency and the reference frequency, and generates and outputs a hydrogen concentration value, an alarm signal when the standard value is exceeded, a solenoid valve control signal, and the like. To do.
Thus, in the hydrogen concentration detection system, the hydrogen concentration can be detected using the frequency signal output from the hydrogen sensor 71, and a control signal or the like is output to various devices based on the obtained hydrogen concentration. be able to.

なお、上記の回路のうち一部をIC化することも可能であり、周波数カウンタ73、演
算器74を1チップマイコンとして構成することもできる。また、信号処理をアナログ処
理、ディジタル処理のどちらを用いても実施は可能である。
A part of the above circuit can be integrated into an IC, and the frequency counter 73 and the arithmetic unit 74 can be configured as a one-chip microcomputer. Further, the signal processing can be performed using either analog processing or digital processing.

なお、本実施形態の水素センサにおいて、水晶基板と水素反応触媒膜の温度を制御する
温度制御手段を備えていても良い。例えば、水素反応触媒膜を水晶基板のIDT電極以外
の部分に設け、この水素反応触媒膜に通電することにより発熱が生じ水晶基板の温度が上
昇する。このことから、適宜電流の大きさ、通電時間を制御することで水晶基板の温度を
ガス雰囲気温度よりも高い温度で制御することができる。
このようにすれば、ガス雰囲気温度の変化、またはガスと反応して触媒媒質が発熱の際
に生じる水の影響を排除することができ、感度に優れたガスセンサを提供することができ
る。
Note that the hydrogen sensor of the present embodiment may include temperature control means for controlling the temperatures of the quartz substrate and the hydrogen reaction catalyst film. For example, when a hydrogen reaction catalyst film is provided in a portion other than the IDT electrode of the quartz substrate and the hydrogen reaction catalyst film is energized, heat is generated and the temperature of the quartz substrate rises. From this, the temperature of the quartz crystal substrate can be controlled at a temperature higher than the gas atmosphere temperature by appropriately controlling the magnitude of the current and the energization time.
In this way, it is possible to eliminate the influence of water generated when the gas medium temperature changes or the catalyst medium generates heat when it reacts with the gas, and a gas sensor with excellent sensitivity can be provided.

なお、本実施形態の水素センサでは圧電基板として水晶基板を用いたが、他にタンタル
酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電材料を用いて圧電基板を構成しても実施が可能
である。
また、水素反応触媒膜として白金(Pt)、パラジウム(Pd)を用いたが、水素吸蔵
合金においても水素を吸収して発熱する性質があり、白金、パラジウムに替わり水素吸蔵
合金を利用して水素センサを構成することも可能である。
さらに、本実施形態のガスセンサは、水素の酸化作用により水が形成される際の発熱を
利用していることから、水素(H2)を検出するだけでなく、水素原子を含むシランガス
(SiH4)、ジボランガス(B24)、フォスフィン(PH4)、エタンガス(CH4
、エチレンガス(C26)などのガスを検出することに利用できる。
In the hydrogen sensor of this embodiment, a quartz substrate is used as the piezoelectric substrate, but the present invention can also be implemented by configuring the piezoelectric substrate using a piezoelectric material such as lithium tantalate or lithium niobate.
Moreover, although platinum (Pt) and palladium (Pd) are used as the hydrogen reaction catalyst film, the hydrogen storage alloy also has the property of absorbing hydrogen and generating heat. Instead of platinum and palladium, hydrogen is used by using a hydrogen storage alloy. It is also possible to configure a sensor.
Furthermore, since the gas sensor of the present embodiment uses heat generated when water is formed by the oxidation action of hydrogen, not only hydrogen (H 2 ) is detected, but also silane gas (SiH 4 containing hydrogen atoms). ), Diborane gas (B 2 H 4 ), phosphine (PH 4 ), ethane gas (CH 4 )
It can be used for detecting gases such as ethylene gas (C 2 H 6 ).

第1の実施形態の水素センサに係る水素反応検出素子の構成を示し、(a)は模式平面図、(b)は同図(a)のA−A断線に沿う模式断面図。The structure of the hydrogen reaction detection element which concerns on the hydrogen sensor of 1st Embodiment is shown, (a) is a schematic plan view, (b) is a schematic cross section along the AA disconnection of the same figure (a). 水晶基板のカット角を示す説明図。Explanatory drawing which shows the cut angle of a quartz substrate. カット角θと温度感度係数との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between cut angle (theta) and a temperature sensitivity coefficient. 水素反応検出素子の周波数温度特性を示すグラフ。The graph which shows the frequency temperature characteristic of a hydrogen reaction detection element. 水素反応検出素子の周波数シフトと水素濃度の相関を示すグラフ。The graph which shows the correlation of the frequency shift of a hydrogen reaction detection element, and hydrogen concentration. 水素反応検出素子における水素反応触媒膜の配置を変えた変形例の構成を示す模式平面図。The schematic plan view which shows the structure of the modification which changed arrangement | positioning of the hydrogen reaction catalyst film | membrane in a hydrogen reaction detection element. 第2の実施形態の水素センサに係る水素反応検出素子の構成を示し、(a)は模式平面図、(b)は同図(a)のB−B断線に沿う模式断面図。The structure of the hydrogen reaction detection element which concerns on the hydrogen sensor of 2nd Embodiment is shown, (a) is a schematic plan view, (b) is a schematic cross section along the BB broken line of the same figure (a). 第2の実施形態の水素センサにおける変形例の水素反応検出素子の構成を示し、(a)は模式平面図、(b)は同図(a)のC−C断線に沿う模式断面図。The structure of the hydrogen reaction detection element of the modification in the hydrogen sensor of 2nd Embodiment is shown, (a) is a schematic plan view, (b) is a schematic cross section along the CC broken line of the same figure (a). 水素センサを用いた水素濃度検出システムの一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the hydrogen concentration detection system using a hydrogen sensor.

符号の説明Explanation of symbols

3,4,5…水素反応検出素子、11…圧電基板としての水晶基板、12a,12b…
交差指電極、13…IDT電極、14…ガス反応触媒膜としての水素反応触媒膜、15…
反射器、16…入力側端子、17…出力側端子、41…圧電基板としての水晶基板、42
a,42b…交差指電極、43…IDT電極、44…ガス反応触媒膜としての水素反応触
媒膜、45…反射器、46…入力側端子、47…出力側端子、48…絶縁膜、54…ガス
反応触媒膜としての水素反応触媒膜、58…絶縁膜、70…発振回路、71…ガスセンサ
としての水素センサ、72…整流器、73…周波数カウンタ、74…演算器。
3, 4, 5 ... hydrogen reaction detecting element, 11 ... quartz substrate as piezoelectric substrate, 12a, 12b ...
Cross finger electrode, 13 ... IDT electrode, 14 ... Hydrogen reaction catalyst film as gas reaction catalyst film, 15 ...
Reflector, 16 ... input side terminal, 17 ... output side terminal, 41 ... crystal substrate as piezoelectric substrate, 42
a, 42b ... crossed finger electrode, 43 ... IDT electrode, 44 ... hydrogen reaction catalyst film as gas reaction catalyst film, 45 ... reflector, 46 ... input side terminal, 47 ... output side terminal, 48 ... insulating film, 54 ... Hydrogen reaction catalyst film as gas reaction catalyst film, 58 ... insulating film, 70 ... oscillation circuit, 71 ... hydrogen sensor as gas sensor, 72 ... rectifier, 73 ... frequency counter, 74 ... calculator.

Claims (7)

圧電基板と、
前記圧電基板上に設けられたIDT電極と、
前記圧電基板上に設けられ、ガスに反応して発熱するガス反応触媒膜と、
前記IDT電極を励振させる発振回路と、を備え、
前記ガス反応触媒膜が前記IDT電極で励振される弾性表面波の伝播路上に設けられ
前記圧電基板に水晶基板が用いられ、
水晶の結晶の電気軸をX軸、機械軸をY軸、光学軸をZ軸とした場合、
前記水晶基板は、前記X軸と前記Z軸とを含む平面を、前記X軸を回転軸とし、前記結晶の+Z軸から前記結晶の−Y軸へ回転する方向を正として、θ°回転してできる平面を主面としたものであり、
前記IDT電極は、前記弾性表面波が前記X軸に平行に伝播するように設けられており、
前記θが33以上53以下を満たすことを特徴とするガスセンサ。
A piezoelectric substrate;
An IDT electrode provided on the piezoelectric substrate;
A gas reaction catalyst film provided on the piezoelectric substrate and generating heat in response to a gas;
An oscillation circuit for exciting the IDT electrode,
The gas reaction catalyst film is provided on a propagation path of a surface acoustic wave excited by the IDT electrode ;
A quartz substrate is used for the piezoelectric substrate,
When the electric axis of the crystal of crystal is the X axis, the mechanical axis is the Y axis, and the optical axis is the Z axis,
The quartz substrate is rotated by θ ° with a plane including the X axis and the Z axis as a rotation axis, and a direction rotating from the + Z axis of the crystal to the −Y axis of the crystal as a positive direction. The main surface is a plane that can be
The IDT electrode is provided so that the surface acoustic wave propagates in parallel to the X axis,
The gas sensor characterized in that the θ satisfies 33 or more and 53 or less .
請求項1に記載のガスセンサにおいて、
前記ガス反応触媒膜が前記IDT電極における交差指電極の間の前記伝播路上に設けられていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
The gas sensor according to claim 1, wherein the gas reaction catalyst film is provided on the propagation path between the interdigitated electrodes in the IDT electrode.
請求項1に記載のガスセンサにおいて、
前記IDT電極を覆う絶縁膜を有し、前記ガス反応触媒膜が前記絶縁膜上でかつ、前記伝播路上に設けられていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
A gas sensor comprising an insulating film covering the IDT electrode, wherein the gas reaction catalyst film is provided on the insulating film and on the propagation path.
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
前記ガス反応触媒膜に白金またはパラジウムが用いられていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 3,
A gas sensor, wherein platinum or palladium is used for the gas reaction catalyst film.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
前記IDT電極より励振される弾性表面波がSTW波であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 4 ,
The gas sensor according to claim 1, wherein the surface acoustic wave excited from the IDT electrode is an STW wave.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
前記IDT電極より励振される弾性表面波がレイリー波であることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 4 ,
The gas sensor according to claim 1, wherein the surface acoustic wave excited from the IDT electrode is a Rayleigh wave.
圧電基板と、
前記圧電基板上に設けられたIDT電極と、
前記圧電基板上に設けられ、水素を含むガスに反応して発熱するガス反応触媒膜と、
前記IDT電極を励振させる発振回路と、を備え、
前記ガス反応触媒膜が前記IDT電極で励振される弾性表面波の伝播路上に設けられ
前記圧電基板に水晶基板が用いられ、
水晶の結晶の電気軸をX軸、機械軸をY軸、光学軸をZ軸とした場合、
前記水晶基板は、前記X軸と前記Z軸とを含む平面を、前記X軸を回転軸とし、前記結晶の+Z軸から前記結晶の−Y軸へ回転する方向を正として、θ°回転してできる平面を主面としたものであり、
前記IDT電極は、前記弾性表面波が前記X軸に平行に伝播するように設けられており、
前記θが33以上53以下を満たすことを特徴とする水素濃度検出システム。
A piezoelectric substrate;
An IDT electrode provided on the piezoelectric substrate;
A gas reaction catalyst film provided on the piezoelectric substrate and generating heat in response to a gas containing hydrogen ;
An oscillation circuit for exciting the IDT electrode,
The gas reaction catalyst film is provided on a propagation path of a surface acoustic wave excited by the IDT electrode ;
A quartz substrate is used for the piezoelectric substrate,
When the electric axis of the crystal of crystal is the X axis, the mechanical axis is the Y axis, and the optical axis is the Z axis,
The quartz substrate is rotated by θ ° with a plane including the X axis and the Z axis as a rotation axis, and a direction rotating from the + Z axis of the crystal to the −Y axis of the crystal as a positive direction. The main surface is a plane that can be
The IDT electrode is provided so that the surface acoustic wave propagates in parallel to the X axis,
The hydrogen concentration detection system, wherein θ satisfies 33 or more and 53 or less .
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