ガスセンサ
【課題】ガス濃度を感度良く検知できるガスセンサを提供する。
【解決手段】水晶基板１１と、水晶基板１１の表面に形成され多数の交差指電極１２ａ，
１２ｂを有するＩＤＴ電極１３と、水晶基板１１に形成されガスに反応して発熱する水素
反応触媒膜１４と、ＩＤＴ電極１３により励振される弾性表面波の伝播方向に沿ってＩＤ
Ｔ電極１３の両側に配置された１対の反射器１５と、ＩＤＴ電極１３を励振させる発振回
路と、を備え、水素反応触媒膜１４がＩＤＴ電極１３で励振される前記弾性表面波の伝播
路上に形成され、水素反応触媒膜１４の発熱による水晶基板１１の温度変化を周波数信号
として検出する。
【解決手段】水晶基板１１と、水晶基板１１の表面に形成され多数の交差指電極１２ａ，
１２ｂを有するＩＤＴ電極１３と、水晶基板１１に形成されガスに反応して発熱する水素
反応触媒膜１４と、ＩＤＴ電極１３により励振される弾性表面波の伝播方向に沿ってＩＤ
Ｔ電極１３の両側に配置された１対の反射器１５と、ＩＤＴ電極１３を励振させる発振回
路と、を備え、水素反応触媒膜１４がＩＤＴ電極１３で励振される前記弾性表面波の伝播
路上に形成され、水素反応触媒膜１４の発熱による水晶基板１１の温度変化を周波数信号
として検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９８７４２号公報
【特許文献２】特開平８−６８７８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、前記圧電基板の表面
に形成され多数の交差指電極を有するＩＤＴ電極と、前記圧電基板に形成されガスに反応
して発熱するガス反応触媒膜と、前記ＩＤＴ電極により励振される弾性表面波の伝播方向
に沿って前記ＩＤＴ電極の両側に配置された１対の反射器と、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電極で励振される前記弾性表面
波の伝播路上に形成され、前記ガス反応触媒膜の発熱による前記圧電基板の温度変化を周
波数信号として検出することを特徴とする。
【０００８】
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。
【０００９】
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
指電極の間の前記弾性表面波伝播路上に形成されていることが望ましい。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
本発明のガスセンサは、前記圧電基板が水晶基板であることが望ましい。
【００１６】
この構成によれば、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。
【００１７】
本発明のガスセンサは、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
て、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
きる水晶基板から、Ｘ軸に平行に前記弾性表面波が伝播するように前記ＩＤＴ電極が形成
されており、θ＝３３〜５３（°）であることが望ましい。
【００１８】
この構成によれば、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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）
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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）
【００３２】
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。
【００３３】
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）
【００３４】
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。
【００３５】
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、Ａｌ2Ｏ3か
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Ａｌ2Ｏ3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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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）
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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（Ｂ2Ｈ4）、フォスフィン（ＰＨ4）、エタンガス（ＣＨ4）
、エチレンガス（Ｃ2Ｈ6）などのガスを検出することに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】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。
【図２】水晶基板のカット角を示す説明図。
【図３】カット角θと温度感度係数との関係を示すグラフ。
【図４】水素反応検出素子の周波数温度特性を示すグラフ。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【符号の説明】
【００４９】
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。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９８７４２号公報
【特許文献２】特開平８−６８７８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、前記圧電基板の表面
に形成され多数の交差指電極を有するＩＤＴ電極と、前記圧電基板に形成されガスに反応
して発熱するガス反応触媒膜と、前記ＩＤＴ電極により励振される弾性表面波の伝播方向
に沿って前記ＩＤＴ電極の両側に配置された１対の反射器と、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電極で励振される前記弾性表面
波の伝播路上に形成され、前記ガス反応触媒膜の発熱による前記圧電基板の温度変化を周
波数信号として検出することを特徴とする。
【０００８】
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。
【０００９】
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
指電極の間の前記弾性表面波伝播路上に形成されていることが望ましい。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
本発明のガスセンサは、前記圧電基板が水晶基板であることが望ましい。
【００１６】
この構成によれば、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。
【００１７】
本発明のガスセンサは、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
て、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
きる水晶基板から、Ｘ軸に平行に前記弾性表面波が伝播するように前記ＩＤＴ電極が形成
されており、θ＝３３〜５３（°）であることが望ましい。
【００１８】
この構成によれば、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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）
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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）
【００３２】
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。
【００３３】
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）
【００３４】
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。
【００３５】
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、Ａｌ2Ｏ3か
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Ａｌ2Ｏ3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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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）
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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（Ｂ2Ｈ4）、フォスフィン（ＰＨ4）、エタンガス（ＣＨ4）
、エチレンガス（Ｃ2Ｈ6）などのガスを検出することに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】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。
【図２】水晶基板のカット角を示す説明図。
【図３】カット角θと温度感度係数との関係を示すグラフ。
【図４】水素反応検出素子の周波数温度特性を示すグラフ。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【符号の説明】
【００４９】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、
前記圧電基板の表面に形成され多数の交差指電極を有するＩＤＴ電極と、
前記圧電基板に形成されガスに反応して発熱するガス反応触媒膜と、
前記ＩＤＴ電極により励振される弾性表面波の伝播方向に沿って前記ＩＤＴ電極の両側
に配置された１対の反射器と、
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電極で励振される前記弾性表面波の伝播路上に形成さ
れ、前記ガス反応触媒膜の発熱による前記圧電基板の温度変化を周波数信号として検出す
ることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
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電極における前記交差指電極の間の前記弾性表面波伝
播路上に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
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を特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
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
を特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
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、
前記圧電基板が水晶基板であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項５に記載のガスセンサにおいて、
水晶の結晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸として、
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
水晶基板から、Ｘ軸に平行に前記弾性表面波が伝播するように前記ＩＤＴ電極が形成され
ており、
θ＝３３〜５３（°）
であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項７】
請求項６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またはＳＴＷ波であることを特
徴とするガスセンサ。
【請求項１】
圧電基板と、
前記圧電基板の表面に形成され多数の交差指電極を有するＩＤＴ電極と、
前記圧電基板に形成されガスに反応して発熱するガス反応触媒膜と、
前記ＩＤＴ電極により励振される弾性表面波の伝播方向に沿って前記ＩＤＴ電極の両側
に配置された１対の反射器と、
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電極で励振される前記弾性表面波の伝播路上に形成さ
れ、前記ガス反応触媒膜の発熱による前記圧電基板の温度変化を周波数信号として検出す
ることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
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電極における前記交差指電極の間の前記弾性表面波伝
播路上に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
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を特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
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
を特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
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、
前記圧電基板が水晶基板であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項５に記載のガスセンサにおいて、
水晶の結晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸として、
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
水晶基板から、Ｘ軸に平行に前記弾性表面波が伝播するように前記ＩＤＴ電極が形成され
ており、
θ＝３３〜５３（°）
であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項７】
請求項６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またはＳＴＷ波であることを特
徴とするガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２２４５８２（Ｐ２００８−２２４５８２Ａ）
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６６４８１（Ｐ２００７−６６４８１）
【出願日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度 地域新生コンソーシアム研究開発事業 「水晶ＭＥＭＳ技術による超高感度・超小型次世代センサの開発」産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月２５日（２００８．９．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度 地域新生コンソーシアム研究開発事業 「水晶ＭＥＭＳ技術による超高感度・超小型次世代センサの開発」産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
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