DE112016004203T5

DE112016004203T5 - Wasserstoffsensor

Info

Publication number: DE112016004203T5
Application number: DE112016004203.5T
Authority: DE
Inventors: Toshitsugu Ueda; Hiroshi Oigawa
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2018-06-07
Also published as: CN108027333A; US20180252658A1; US10690606B2; JPWO2017047728A1; WO2017047728A1; CN108027333B; JP6845143B2

Abstract

Um einen Wasserstoffsensor zum Messen einer Wasserstoffkonzentration mit hoher Empfindlichkeit und ausgezeichneter Massenproduktivität bereitzustellen, umfasst der Wasserstoffsensor Folgendes: mindestens einen ersten Quarzvibrator und einen zweiten Quarzvibrator, der in einer Quarzplatte gebildet ist; eine katalytische Wasserstoffreaktionsschicht (4), die einen Platinfilm (8) aus Platinmohr umfasst, der auf beiden Seiten des ersten Quarzvibrators gebildet ist; eine reaktionsfreie Wasserstoffschicht (5), die in dem zweiten Quarzvibrator gebildet ist, wobei eine Wasserstoffkonzentration gemessen wird, indem eine Temperatur des ersten Quarzvibrators gemessen wird, die sich durch die Verbrennungswärme erhöht, die durch Oxidation von Wasserstoff durch die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht als eine Änderung einer Eigenfrequenz des ersten Quarzvibrators in Bezug auf eine Eigenfrequenz des zweiten Quarzvibrators verursacht wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserstoffsensor zum Messen einer Wasserstoffkonzentration, insbesondere einen Wasserstoffsensor, der eine hohe Empfindlichkeit und ausgezeichnete Massenproduktivität bereitstellen kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wasserstoff ist als Energiequelle für die Bewältigung von Umweltproblemen interessant. Das heißt, Wasserstoff erregt Aufmerksamkeit als Brennstoff einer Brennstoffzelle, Brennstoff, der direkt in einem Verbrennungsmotor verbrannt wird, oder dergleichen. Dies liegt an einer Eigenschaft, dass nur Wasser erzeugt wird, selbst wenn Wasserstoff verbrannt wird, und die Energiedichte pro Gewicht ist hoch. Darüber hinaus kann Wasserstoff leicht durch Elektrolyse von Wasser mit elektrischer Energie wie einer Solarzelle erhalten werden.
Da Wasserstoff durch Funkenbildung oder dergleichen leicht explodiert, wenn er mit Sauerstoff gemischt wird, ist es notwendig, Leckagen aus einem Behälter, wie etwa einem Reservoir, zuverlässig zu erfassen. Das heißt, da Wasserstoff explodieren kann, wenn die Konzentration in der Luft 4 % übersteigt, wird ein Sensor zum einfachen Erfassen dieser Konzentration in der Massenproduktion gefordert.
Aus diesem Grund wurde, wie in Patentdokument 1 diskutiert, ein Wasserstoffsensor entwickelt, in dem eine katalytische Wasserstoffreaktionsschicht auf einer Quarzkristallplatte gebildet ist, und Wasserstoff durch die Einwirkung auf die katalytische Schicht oxidiert wird, um Wärme zu erzeugen, so dass eine Temperatur der Quarzkristallplatte zunimmt, um eine Eigenfrequenz zu ändern. Die Wasserstoffkonzentration wird gemessen, indem die Änderung der Eigenfrequenz erfasst wird.
In der in Patentdokument 1 diskutierten Verfahrensweise wird eine katalytische Wasserstoffreaktionsschicht auf einer Oberfläche eines Quarzvibrators gebildet, und ein Massenherstellungsverfahren ist bereits in der Technik etabliert, so dass eine hohe Praktikabilität erreicht werden kann.
Bei der in Patentdokument 2 erörterten Verfahrensweise ist der Messwert verglichen mit der Verfahrensweise des Patentdokuments 1 stabilisiert. Das heißt, dass eine katalytische Wasserstoffreaktionsschicht auf einer Seite oder auf beiden Seiten eines vierten Bereichs der Quarzplatte gebildet wird und eine reaktionsfreie Wasserstoffschicht auf ähnliche Weise in dem fünften Bereich der Oberfläche der Quarzplatte gebildet wird. Zusätzlich wird Wasserstoff durch die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht oxidiert, um Verbrennungswärme zu erzeugen, und eine Änderung der Eigenfrequenz des ersten Quarzvibrators der Quarzplatte, verursacht durch die Verbrennungswärme, wird basierend auf der Eigenfrequenz des fünften Bereichs der Quarzplatte gemessen, so dass die Wasserstoffkonzentration basierend auf der Änderung der Eigenfrequenz gemessen wird.
Quellenangaben
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 2008-224581 A
Patentdokument 2: JP 2010-256157 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden sollen
Bei dem Wasserstoffsensor des Stands der Technik, der in dem oben beschriebenen Patentdokument 1 diskutiert wird, nimmt jedoch eine Temperatur des Quarzvibrators durch die Wärme, die von der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht erzeugt wird, zu und die Wasserstoffkonzentration wird basierend auf der Temperaturänderung gemessen. Daher kann sich ein Messwert abhängig von der Temperatur der verwendeten Umgebung ändern.
In der in Patentdokument 2 diskutierten Verfahrensweise ist der Messwert selbst für eine Änderung der Atmosphärentemperatur stabil, es besteht jedoch Bedarf für einen Sensor mit höherer Empfindlichkeit. Inzwischen ist es auch notwendig, eine Forderung zur Verhinderung einer Abnahme der mechanischen Festigkeit des Quarzvibrators gegen einen Stoß zu erfüllen, die durch die Erhöhung der Empfindlichkeit oder eine Forderung nach Verbesserung der Massenproduktivität verursacht werden kann.
Im Hinblick auf die oben erwähnten Probleme ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wasserstoffsensor bereitzustellen, bei dem weniger Fehler in den Messdaten durch eine Umgebungstemperatur selbst oder eine Änderung der Umgebungstemperatur weniger erzeugt werden, die Empfindlichkeit hoch ist, es keine Verschlechterung der mechanischen Festigkeit gibt, selbst wenn die Empfindlichkeit erhöht wird, und die Massenproduktivität ausgezeichnet ist.
Mittel zur Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Wasserstoffsensor geschaffen, der Folgendes umfasst: mindestens einen ersten Quarzvibrator und einen zweiten Quarzvibrator, der in einer Quarzplatte gebildet ist; eine katalytische Wasserstoffreaktionsschicht, die einen Platinfilm aus Platinmohr umfasst, der auf beiden Seiten des ersten Quarzvibrators gebildet ist; und eine reaktionsfreie Wasserstoffschicht, die in dem zweiten Quarzvibrator gebildet ist, aufweisen, wobei eine Wasserstoffkonzentration gemessen wird, indem eine Temperatur des ersten Quarzvibrators gemessen wird, die durch die Verbrennungswärme erhöht wird, die durch Oxidation von Wasserstoff durch die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht als eine Änderung einer Eigenfrequenz des ersten Quarzvibrators in Bezug auf eine Eigenfrequenz des zweiten Quarzvibrators verursacht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wasserstoffsensor bereitgestellt, der Folgendes umfasst: mindestens einen ersten Quarzvibrator und einen zweiten Quarzvibrator, der in einer Quarzplatte gebildet ist; eine katalytische Wasserstoffreaktionsschicht, die auf beiden Seiten des ersten Quarzvibrators gebildet ist und einen Platinfilm mit einer Vielzahl von Vorsprüngen auf ihrer Oberfläche umfasst, wobei die Vorsprünge eine Partikelform bei der Oberflächenbeobachtung oder eine dendritische Form, eine nadelartige Form oder eine säulenartige Form bei der Querschnittsbeobachtung aufweisen; und eine reaktionsfreie Wasserstoffschicht, die in dem zweiten Quarzvibrator gebildet ist, aufweisen, wobei eine Wasserstoffkonzentration gemessen wird, indem eine Temperatur des ersten Quarzvibrators gemessen wird, die durch die Verbrennungswärme erhöht wird, die durch Oxidation von Wasserstoff in der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht als eine Änderung einer Eigenfrequenz des ersten Quarzvibrators in Bezug auf eine Eigenfrequenz des zweiten Quarzvibrators verursacht wird.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Bei dem Wasserstoffsensor gemäß der vorliegenden Erfindung sind der erste Quarzvibrator und der zweite Quarzvibrator in der Quarzplatte gebildet, die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht aus Platinmohr ist in dem ersten Quarzvibrator gebildet, und die reaktionsfreie Wasserstoffschicht wird in dem zweiten Quarzvibrator wie oben beschrieben gebildet. Alternativ dazu weist der erste Quarzvibrator die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht auf, die den Platinfilm mit einer Vielzahl von Vorsprüngen auf seiner Oberfläche umfasst, und wobei die Vorsprünge eine Partikelform bei der Oberflächenbeobachtung oder eine dendritische Form, eine nadelartige Form oder eine säulenartige Form bei der Querschnittsbeobachtung aufweisen;
Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht des ersten Quarzvibrators Wärme durch den Einfluss der Verbrennungswärme von Wasserstoff, die erzeugt wird, wenn sie mit Gas, wie z. B. Luft, die Wasserstoff umfasst, in Kontakt kommt. Da in diesem Fall der erste Quarzvibrator und der zweite Quarzvibrator durch die Wärme, die nicht die Verbrennungswärme ist, unter der gleichen Bedingung beeinflusst werden, ist es möglich, Einflüsse auszuschließen, die durch andere Faktoren als die Verbrennungswärme von Wasserstoff verursacht werden, indem eine Frequenzdifferenz oder ein Verhältnis zwischen dem ersten Quarzvibrator und dem zweiten Quarzvibrator berechnet oder kombiniert wird. Aus diesem Grund ist es möglich, die Wasserstoffkonzentration auch dann genau zu messen, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Zusätzlich ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Empfindlichkeit im Vergleich zum Stand der Technik zu verbessern.
Da jeder Bereich der Quarzplatte identisch ist, wie in Patentdokument 2 diskutiert, nimmt die mechanische Festigkeit nicht durch Verbesserung der Empfindlichkeit ab. Zusätzlich kann die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht durch Elektroplattieren gebildet werden, wobei dies nicht besonders schwierig ist. Daher ist es möglich, eine ausgezeichnete Massenproduktivität bereitzustellen.
Figurenliste

1 ist eine Vorderseitenanordnung, die einen Wasserstoffsensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 ist eine Rückseitenanordnung, die den Wasserstoffsensor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
3 ist eine Vorderseitenanordnung, die den Wasserstoffsensor gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
4 ist eine Rückseitenanordnung, die den Wasserstoffsensor gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
5 ist eine Querschnittsansicht, die den Wasserstoffsensor aus 3 und 4 darstellt;
6A bis 6C sind Aufnahmen eines Rasterelektronenmikroskops (Scanning Electron Microscope, SEM), die durch Beobachtung von Oberflächen katalytischer Wasserstoffreaktionsschichten erhalten wurden, die unterschiedliche Dicken des Wasserstoffsensors gemäß der Erfindung aufweisen;
7 ist eine SEM-Photographie, die durch Beobachten eines Querschnitts der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht des Wasserstoffsensors gemäß der Erfindung erhalten wurde;
8A bis 8C sind schematische Diagramme, die jeweils die SEM-Fotografien aus 6A bis 6C teilweise veranschaulichen;
9 ist ein schematisches Diagramm, das teilweise die SEM-Fotografie aus 7 zeigt;
10A bis 10E sind Querschnittsansichten, die einen Herstellungsprozess des Wasserstoffsensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
11 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Prozess zum Bilden der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht des Wasserstoffsensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
12 ist ein Schaubild, der eine Eigenschaft des Wasserstoffsensors gemäß der Erfindung darstellt;
13 ist ein Schaubild, der eine Eigenschaft des Wasserstoffsensors gemäß der Erfindung darstellt; und
14 ist ein Schaubild, der eine Eigenschaft des Wasserstoffsensors gemäß der Erfindung darstellt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (nachstehend als „diese Ausführungsform“ bezeichnet) werden nun ausführlich beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne von dem Umfang des Gegenstandes abzuweichen.
Erste Ausführungsform
Ein Wasserstoffsensor gemäß einer ersten Ausführungsform wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Vorderseitenanordnung, die einen Wasserstoffsensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 ist eine Rückseitenanordnung, die den Wasserstoffsensor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt; Es ist zu beachten, dass, obwohl die linke und rechte Seite der Rückseitenanordnung aus 2 umgekehrt sind, indem die Vorderseitenanordnung aus 1 umgekehrt ist, die Rückseitenanordnung aus 2 so dargestellt ist, dass die linke und rechte Seite zum leichteren Verständnis nicht umgekehrt sind.
Element 1 aus 1 und 2 ist eine Quarzplatte (Quarzsubstrat), die durch Schneiden von Quarzkristallen mittels Ätzen oder dergleichen hergestellt ist. Element 2 ist ein erster Quarzvibrator und Element 3 ist ein zweiter Quarzvibrator.
Wie in 1 und 2 dargestellt, weist der erste Quarzvibrator 2 eine katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 auf beiden Seiten eines Quarzstücks auf, die durch Schneiden der Quarzplatte 1 gebildet ist. Die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 umfasst einen Platinfilm 8. Die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 agiert als Elektrode des ersten Quarzvibrators 2.
Wie in 1 und 2 dargestellt, weist der zweite Quarzvibrator 3 eine reaktionsfreie Wasserstoffschicht 5 auf beiden Seiten des Quarzstücks auf, die durch Schneiden der Quarzplatte 1 gebildet ist. Die reaktionsfreie Wasserstoffschicht 5 ist beispielsweise aus einem Goldfilm 9 gebildet. Die reaktionsfreie Wasserstoffschicht 5 agiert als Elektrode des zweiten Quarzvibrators 3.
Im Folgenden wird ein Platinfilm 8 wird beschrieben. Der Platinfilm 8 ist aus Platinmohr gebildet. „Platinmohr“ ist hier ein Platinfilm, der auf seiner Oberfläche schwarz erscheint und als starker Oxidations-Reduktionskatalysator bekannt ist. In dieser Ausführungsform hat die Oberfläche jedoch nicht unbedingt eine schwarze Farbe, und das „Platinmohr“ kann auch entweder eine graue Farbe oder eine Farbe nahe der Farbe Grau aufweisen.
Die Oberfläche des Platinfilms 8 ist aufgerauht oder aus einem porösen Material gebildet, so dass die tatsächliche Oberfläche wesentlich größer ist als die scheinbare Oberfläche.
Ein derartiger Platinfilm 8 erscheint wie unten in der Rasterelektronenmikroskopaufnahme (SEM) beschrieben.
Insbesondere weist der Platinfilm 8 eine Vielzahl von Vorsprüngen auf der Oberfläche auf, und die Vorsprünge weisen eine Partikelform auf, wie sie bei der Oberflächenbeobachtung zu sehen ist. Bei der Querschnittsbeobachtung weisen die Vorsprünge eine dendritische, nadelartige oder säulenartige Form auf. Die „Teilchenform“ bezieht sich hierin auf eine Form, die in der SEM-Fotografie als ein Punkt oder Klumpen erscheint, an dem ein oder mehrere Teilchen haften. Darüber hinaus bezieht sich die „dendritische Form“ auf eine verzweigte Form und die „nadelartige Form“ betrifft eine spitz zulaufende Form. Die „säulenartige Form“ betrifft jede unregelmäßige Vorsprungsform, die sich von der „dendritischen Form“ und der „nadelartigen Form“ unterscheidet. Es ist zu beachten, dass ein echtes REM-Foto unten beschrieben wird.
Der Platinfilm 8 muss eine Temperatur auf einem bestimmten Niveau oder mehr aufweisen, um eine katalytische Wirkung auszuüben. Aus diesem Grund ist, wie in 2 dargestellt, ein Heizdraht 6 zum Erwärmen auf der Rückseite der Quarzplatte 1 gebildet, um mit einer Position der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht 4 übereinzustimmen.
Wie in 2 dargestellt, ist der Heizdraht 7 zum Erwärmen auch in einer Position gebildet, die mit der reaktionsfreien Wasserstoffschicht 5 auf der Rückseite der Quarzplatte 1 übereinstimmt. Zusätzlich sind die Heizdrähte 6 und 7 so gebildet, dass sie die gleiche Eigenschaft aufweisen. Dies liegt daran, dass eine Wärmemenge, die von der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht 4 erzeugt wird, durch Erhitzen sowohl der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht 4 als auch der reaktionsfreien Wasserstoffschicht 5 unter den gleichen Bedingungen, genau erfasst wird. Wie in 2 dargestellt, sind die Heizdrähte 6 und 7 einstückig aus demselben Material gebildet.
Element 10 aus 1 und 2 ist ein Schlitz, der in der Quarzplatte 1 gebildet ist. Durch diesen Schlitz 10 wird der Wärmeeinfluss zwischen dem ersten Quarzvibrator 2 und dem zweiten Quarzvibrator 3 unterdrückt. Es ist zu beachten, dass die Elemente 11 und 12 Anschlüsse für die Stromversorgung der Heizdrähte 6 bzw. 7 sind.
Das Element 13 ist ein äußerer Rahmen, der eine Außenseite des ersten Quarzvibrators 2 und des zweiten Quarzvibrators 3 umgibt, und der äußere Rahmen 13 umfasst beispielsweise drei Federabschnitte 14 bis 16. Darüber hinaus sind der erste Quarzvibrator 2 und der zweite Quarzvibrator 3 durch den Schlitz 10 von dem äußeren Rahmen 13 getrennt, indem einige Teile ausgeschlossen sind. Indem auf diese Weise der äußere Rahmen 13 und die Federabschnitte 14 bis 16 bereitgestellt werden, ist es möglich, eine Struktur zu bilden, die einer Spannung in dem ersten Quarzvibrator 2 und dem zweiten Quarzvibrator 3 standhält, selbst wenn eine Belastung auf den äußeren Rahmen 13 ausgeübt wird.
Die Elemente 21 und 22 aus 1 sind Anschlüsse, die mit einer Oszillationsschaltung wie einem Colpitts-Oszillator zum Messen einer Resonanzfrequenz des ersten Quarzvibrators 2 verbunden sind (eine Oszillationsschaltung auf Quarzbasis ist jedoch in der Technik allgemein bekannt und wird hier nicht beschrieben). Zusätzlich ist der Schwingkreis mit einer Frequenzmessvorrichtung verbunden. Die Frequenzmessschaltung ist in der Technik allgemein bekannt und wird hier nicht beschrieben.
Der Wasserstoffsensor von Beispiel 1 ist in der zuvor erwähnten Konfiguration gebildet. Der Betrieb des Wasserstoffsensors und dessen Verwendung wird nun beschrieben. Die Quarzplatte 1 ist auf einem geeigneten Substrat montiert und zur Modularisierung in einem Gehäuse verpackt, um zu verhindern, dass es mechanisch beschädigt wird. Dieses Gehäuse weist beispielsweise eine Öffnung auf, um den Gasen eine ausreichende Strömung zu ermöglichen. Da das Substrat und das Gehäuse, die oben beschrieben wurden, diejenigen sein können, die üblicherweise in elektronischen Teilen verwendet werden, sind sie technisch nicht charakteristisch und werden der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Zuerst wird den Heizdrähten 6 und 7 Strom über die Anschlüsse 11 und 12 zugeführt. Aufgrund dieser Zuführung werden der erste Quarzvibrator 2 und der zweite Quarzvibrator 3 unter den gleichen Bedingungen vorgewärmt. Hier bezieht sich das Vorwärmen auf ein Verfahren zum Erhöhen der Temperatur der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht 4, so dass sie als Katalysator agieren kann.
Der Anschluss 21 und ein Anschluss auf der Rückseite (nicht gezeigt) sind mit der Oszillationsschaltung verbunden. Daraufhin vibriert die Quarzplatte 1 als Dickenschervibrator, und der Schwingkreis oszilliert mit seiner Eigenfrequenz. Da die Oszillationsfrequenz des Schwingkreises durch die Frequenzmessvorrichtung gemessen wird, wird die Resonanzfrequenz des ersten Quarzvibrators 2 gemessen. Zusätzlich sind der Anschluss 22 und ein Anschluss der Rückseite (nicht gezeigt) mit der Oszillationsschaltung verbunden, und die Oszillationsfrequenz der Oszillationsschaltung wird durch die Frequenzmessvorrichtung gemessen, so dass die Resonanzfrequenz des zweiten Quarzvibrators 3 gemessen wird.
Es sei angemerkt, dass die Anschlüsse 17, 18, 19 und 20 Anschlussflächen zum Befestigen des Wasserstoffsensors an einem Gehäuse (nicht gezeigt) sind.
Hier werden die Resonanzfrequenzen des ersten Quarzvibrators 2 und des zweiten Quarzvibrators 3 gemessen, während sie hohe Temperaturen durch Vorwärmen aufweisen.
In diesem Zustand wird, während die Wasserstoff enthaltende Luft strömt, der Wasserstoff durch Sauerstoff in der Luft aufgrund einer katalytischen Wirkung der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht 4 des Wasserstoffsensors oxidiert. Als Reaktion auf diese Oxidation wird Verbrennungswärme erzeugt, so dass die Temperatur des ersten Quarzvibrators 2 über die Vorwärmtemperatur ansteigt.
Der zweite Quarzvibrator 3 umfasst die reaktionsfreie Wasserstoffschicht 5, so dass Wasserstoff nicht oxidiert wird, selbst wenn die Luft Wasserstoff enthält. Zusätzlich wird die Temperatur des zweiten Quarzvibrators 3 auf der Vorwärmtemperatur gehalten. Das heißt, dass, während der erste Quarzvibrator 2 eine Temperatur gleich oder höher als die Vorwärmtemperatur aufgrund der Verbrennungswärme von Wasserstoff aufweist, der zweite Quarzvibrator 3 eine auf Vorwärmtemperatur gehaltene Temperatur aufweist. Während der erste Quarzvibrator 2 eine Resonanzfrequenz aufweist, die bei einer Temperatur erzeugt wird, die von der Vorwärmtemperatur und dem Temperaturanstieg abhängt, der durch die Verbrennungswärme von Wasserstoff verursacht wird, weist der zweite Quarzvibrator 3 eine Resonanzfrequenz auf, die bei der Vorwärmtemperatur erzeugt wird.
Hier ist es möglich, einen Faktor zu eliminieren, der dem Temperaturanstieg entspricht, der durch das Vorwärmen verursacht wird, und ausschließlich einen Faktor der Frequenzänderung zu erfassen, der durch die Verbrennungswärme von Wasserstoff beeinflusst wird, indem die Resonanzfrequenzen des ersten Quarzvibrators 2 und des zweiten Quarzvibrators 3 gemessen werden und die Differenz zwischen diesen ermittelt wird.
Auf diese Weise kann eine Wasserstoffkonzentration in der Luft gemessen werden, indem eine Frequenzänderung gemessen wird, die durch die Verbrennungswärme von Wasserstoff verursacht wird.
Zweite Ausführungsform
3 ist eine Vorderseitenanordnung, die einen Wasserstoffsensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt. 4 ist eine Rückseitenanordnung, die den Wasserstoffsensor gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt. 5 ist eine Querschnittsansicht, die den Wasserstoffsensor aus 3 und 4 darstellt. Es ist zu beachten, dass, obwohl die linke und rechte Seite der Rückseitenanordnung aus 4 umgekehrt sind, indem die Vorderseitenanordnung aus 3 umgekehrt ist, die Rückseitenanordnung von 4 so dargestellt ist, dass die linken und rechten Seiten zum besseren Verständnis nicht umgekehrt sind. In 3 und 4 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in 1 und 2 und diese werden hier nicht beschrieben.
Der Wasserstoffsensor aus 3 und 4 weist einen ersten Quarzvibrator 2 und einen zweiten Quarzvibrator 3 auf, die durch einen Schlitz 10 voneinander getrennt sind. Zusätzlich trennt der Schlitz 10 den ersten Quarzvibrator 2 und den zweiten Quarzvibrator 3 von dem äußeren Rahmen 13, indem er einen Teil des äußeren Rahmens 13 belässt.
Wie in 3 und 4 gezeigt, weist der erste Quarzvibrator 2 eine auskragende Struktur auf, die mit dem äußeren Rahmen 13 durch Einfügen eines Verbindungsabschnitts 1a verbunden ist. Ebenso weist der zweite Quarzvibrator 3 eine auskragende Struktur auf, die mit dem äußeren Rahmen 13 durch Einfügen eines Verbindungsabschnitts 1b verbunden ist.
Wie in 3 und 4 dargestellt, ist eine katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 mit einem Platinfilm 8 in einer Mitte des ersten Quarzvibrators 2 gebildet. Die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 ist auf beiden Seiten des ersten Quarzvibrators 2 gebildet. Zusätzlich ist eine reaktionsfreie Wasserstoffschicht 5 mit einem Goldfilm 9 in einer Mitte des zweiten Quarzvibrators 3 gebildet. Die reaktionsfreie Wasserstoffschicht 5 ist auf beiden Seiten des zweiten Quarzvibrators 3 gebildet.
Wie in 5 dargestellt, ist der Goldfilm 9 als erste Schicht auf beiden Seiten des ersten Quarzvibrators 2 ähnlich dem zweiten Quarzvibrator 3 gebildet. Die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 einschließlich des Platinfilms 8 wird durch Überlappen mit der Oberfläche des Goldfilms 9 gebildet. Es ist anzumerken, dass, obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, eine Chrom- (Cr) Schicht als Basisschicht des Goldfilms 9 gebildet ist.
Wie in 4 dargestellt, ist der Heizdraht 6 um die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 auf den Rückseiten des ersten Quarzvibrators 2 und des zweiten Quarzvibrators 3 herum vorgesehen, und der Heizdraht 7 ist um die reaktionsfreie Wasserstoffschicht 5 herum vorgesehen. Jeder der Heizdrähte 6 und 7 ist in der Position des äußeren Rahmens 13 durch die Verbindungsabschnitte 1a und 1b verbunden und integriert.
Die Heizdrähte 6 und 7 können gleichzeitig mit der Bildung des Musters des Goldfilms 9 gebildet werden oder können in einem separaten Prozess gebildet werden. Die Heizdrähte 6 und 7 können aus einem Cr/Au-Laminierungsfilm oder anderen Laminierungsfilmen gebildet sein (man beachte, dass Chrom (Cr), Nickel (Ni), Titan (Ti) oder dergleichen als Klebeschicht der Quarzplatte 1 erforderlich sind) ohne auf Materialien beschränkt zu sein.
Wie in 4 gezeigt, ist es möglich, die Heizdrähte 6 und 7 um die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 und die reaktionsfreie Wasserstoffschicht 5 zu winden, wodurch die Heizeffizienz verbessert werden kann.
Ähnlich der ersten Ausführungsform ist der Platinfilm 8 gemäß der zweiten Ausführungsform von 3 und 4 aus Platinmohr gebildet.
Insbesondere weist der Platinfilm 8 eine Vielzahl von Vorsprüngen auf der Oberfläche auf und die Vorsprünge weisen eine Partikelform auf, wie sie bei der Oberflächenbeobachtung zu sehen ist. Alternativ dazu weisen die Vorsprünge eine dendritische, nadelartige oder säulenartige Form bei der Querschnittsbeobachtung auf.
Im Stand der Technik umfasst die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 einen durch Platin- (Pt) Sputtern gebildeten glänzenden Platinfilm. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 jedoch einen Platinfilm mit einer dreidimensionalen Nanostruktur. Insbesondere ist die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 aus Platinmohr gebildet. Als Ergebnis ist es möglich, die Empfindlichkeit bemerkenswert zu verbessern.
Gemäß dieser Ausführungsform kann ein Oberflächenzustand des Platinfilms 8 auf der SEM-Fotografie beobachtet werden.
In dieser Ausführungsform wurden die Oberfläche und der Querschnitt unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops beobachtet (SEM, Modell Nr. S-3400N, hergestellt von Hitachi High-Technologies Corporation). Als eine SEM-Beobachtungsbedingung wurde eine Beschleunigungsspannung auf 30 kV eingestellt und ein Beobachtungsvergrößerungsverhältnis wurde auf 5000 eingestellt.
6A bis 6C sind SEM-Photographien, die durch Beobachten der Oberfläche der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht des Wasserstoffsensors gemäß der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen Dicken erhalten wurden. 7 ist eine SEM-Photographie, die durch Beobachten eines Querschnitts der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht des Wasserstoffsensors gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde. 8A bis 8C sind schematische Diagramme, die jeweils die SEM-Fotografien aus 6A bis 6C teilweise veranschaulichen. 9 ist ein schematisches Diagramm, das teilweise die SEM-Fotografie aus 7 zeigt;
Die obere linke SEM-Aufnahme aus 6A ist eine Oberflächenphotographie eines Platinmohrplattierungsfilms mit einer durchschnittlichen Dicke von 116 nm. Die obere rechte SEM-Aufnahme aus 6B ist eine Oberflächenphotographie eines Platinmohrplattierungsfilms mit einer durchschnittlichen Dicke von 386 nm. Die untere SEM-Aufnahme aus 6C ist eine Oberflächenphotographie eines Platinmohrplattierungsfilms mit einer durchschnittlichen Dicke von 518 nm.
Hier wird die „durchschnittliche Dicke“ unter Verwendung des folgenden Verfahrens gemessen. Das heißt, die Messung wird an fünf beliebigen Stellen auf der Oberfläche des Platinfilms durchgeführt, indem ein Lasermikroskop VK-X210, hergestellt von KEYENCE, als Messvorrichtung verwendet wird, so dass ein Durchschnittswert davon als durchschnittliche Dicke genommen wird.
8A bis 8C zeigen schematisch nur Teile der Oberflächenaufnahmen aus 6A bis 6C. Wie in 6A bis 6C und 8A bis 8C dargestellt, sind in dem Platinfilm mit einer durchschnittlichen Dicke von 116 nm die weißen Bereiche bei der SEM-Beobachtung Vorsprünge, die eine Partikelform aufweisen, die von der Oberfläche vorsteht. Zusätzlich weisen die dunklen Bereiche um die weißen Bereiche herum eine graue Farbe auf. Es wurde erkannt, dass in diesen Teilen die Dicke des Platinfilms dünn war, so dass das darunter liegendes Au dort hindurch sichtbar war.
Wie in 6A bis 6C und 8A bis 8C dargestellt, wurde erkannt, dass in dem Platinfilm mit einer durchschnittlichen Dicke von 116 nm eine Vielzahl von Vorsprüngen, die eine Partikelform aufweisen, gestreut war.
In dem Platinfilm mit einer durchschnittlichen Dicke von 386 nm, wie in 6B dargestellt, wiesen die dunklen Bereiche um die partikulären Vorsprünge herum, die in Weiß erscheinen, eine dunkelgraue Farbe auf, die dunkler war als diejenige des Platinfilms mit einer durchschnittlichen Dicke von 116 nm.
In dem Platinfilm mit einer durchschnittlichen Dicke von 518 nm, wie in 6C dargestellt, wiesen die dunklen Bereiche um die partikulären Vorsprünge herum, die in Weiß erscheinen, eine schwarze Farbe auf, die noch dunkler war als diejenige des Platinfilms mit einer durchschnittlichen Dicke von 386 nm.
Nachfolgend wird der REM-Querschnitt beschrieben. Die durchschnittliche Dicke der Platinfilme von 7 und 8A bis 8C betrug etwa 500 nm. Wie in 7 und 8A bis 8C dargestellt, wurde eine Vielzahl von Vorsprüngen in dem REM-Querschnitt beobachtet und diese wiesen unregelmäßige Formen auf. Als Form der Vorsprünge wurde eine dendritische Form, eine nadelartige Form oder eine beliebige andere irreguläre Form als die dendritischen und nadelartigen Formen (diese werden hier als „säulenartige Form“ bezeichnet) erkannt.
Wie in 7 und 8A bis 8C dargestellt, wies jeder Vorsprung ein großes Seitenverhältnis (maximale Höhe/maximale Breite) wie etwa 2 zu 10 auf.
Gemäß dieser Ausführungsform weist der Platinfilm 8 vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von 30 nm oder mehr und 600 nm oder weniger auf. Wenn jedoch die durchschnittliche Dicke des Platinfilms 8 zu gering ist, wird die Filmbildung schwierig. Daher wird die durchschnittliche Dicke vorzugsweise auf 30 nm oder mehr eingestellt. Wenn die durchschnittliche Dicke des Platinfilms 8 zu groß ist, wird die Prägung auf der Oberfläche des Platinfilms 8 verringert und die Oberfläche wird verringert. Daher wird die durchschnittliche Dicke vorzugsweise auf 600 nm oder weniger eingestellt.
Die durchschnittliche Dicke des Platinfilms 8 wird vorzugsweise auf 50 nm oder mehr und 500 nm oder weniger, bevorzugter 70 nm oder mehr und 300 nm oder weniger, noch bevorzugter auf 70 nm oder mehr und 150 nm oder weniger und am bevorzugtesten etwa auf 100 nm eingestellt.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des Wasserstoffsensors gemäß dieser Ausführungsform wird beschrieben. 10A bis 10E sind Querschnittsansichten, die einen Herstellungsprozess des Wasserstoffsensors gemäß dieser Ausführungsform veranschaulichen Es ist zu beachten, dass in 10A bis 10E die Rückseite des Wasserstoffsensors bei jedem Herstellungsprozess auf der Oberseite dargestellt ist.
In dem Prozess von 10A wird ein Cr/Au-Film 30 auf beiden Seiten der Quarzplatte (Quarzsubstrat) 1 durch Sputtern gebildet.
Anschließend wird der Cr/Au-Film 30 durch Photolithographie mit Ausnahme der Abschnitte, die dem Schlitz 10 entsprechen, gebildet und ein Resistmuster 31 wird auf der Oberfläche des Cr/Au-Films 30 gebildet, wie in 10B dargestellt. Dieses Resistmuster 31 umfasst Formmuster der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht 4 und der reaktionsfreien Wasserstoffschicht 5 aus 3 und 4, Formmuster der Heizdrähte 6 und 7 und Formmuster verschiedener Drähte.
Anschließend werden in dem Prozess von 10C die freigelegten Abschnitte der Quarzplatte 1 geätzt und entfernt, um den Schlitz 10 zu bilden. Durch Ausbilden des Schlitzes 10 können der erste Quarzvibrator 2 und der zweite Quarzvibrator 3 voneinander getrennt und von dem äußeren Rahmen 13 isoliert werden, indem einige Teile ausgeschlossen werden, wie dies in 3 und 4 dargestellt ist.
Daraufhin wird in dem Prozess aus 10D der Cr/Au-Film 30, der nicht durch das Resistmuster 31 von 10C bedeckt ist, durch Ätzen entfernt. Als Ergebnis ist es möglich, dem Cr/Au-Film 30 zu erlauben, in Folgendem zu verbleiben: den Formmustern der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht 4 und der reaktionsfreien Wasserstoffschicht 5, den Formmustern der Heizdrähte 6 und 7, und den Formmustern verschiedener Drähte.
Daraufhin wird in dem Prozess aus 10E der Platinfilm 8 auf der Oberfläche des Cr/Au-Films 30 in der Mitte des ersten Quarzvibrators 2 plattiert, um die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 einschließlich des Platinfilms 8 zu bilden. Es sei angemerkt, dass eine Maske nicht besonders notwendig ist, solange der Platinfilm 8 während des Plattierens selektiv plattiert werden kann.
Ein Verfahren zur Bildung der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht 4 einschließlich des Platinfilms 8 wird nun beschrieben. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Prozess zum Bilden der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht des Wasserstoffsensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; Wie in 11 dargestellt, weist eine positive Elektrode 40 eine Platin- (Pt) Platte auf und eine negative Elektrode 41 weist einen Quarzwafer (in einem in 10D dargestellten Zustand) auf. Hier ist in 11 eine einzelne positive Elektrode 40 dargestellt. Vorzugsweise ist jedoch ein Paar positiver Elektroden 40 vorgesehen und beide Seiten der negativen Elektrode 41 sind zwischen den positiven Elektroden 40 angeordnet. Als Ergebnis ist es möglich, den Platinfilm auf beiden Seiten des Quarzwafers in einem einzigen Prozess zu plattieren und die Dicken der auf beiden Seiten gebildeten Platinfilme zu vereinheitlichen.
Als Lösung wurden beispielsweise Hexachloroplatin- (IV) säurehexahydrat (H₂[PtCl₆] × 6H₂O) von 3 g und Bleiacetat- (III) trihydrat Pb(CH₃COO)₂·3H₂O von 0,06 g in superreinem Wasser gelöst, um ein Plattierungsbad zu bilden.
Der Oberflächenzustand und die Dicke des Platinfilms hängen von der Stromdichte und der Zeit ab. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Stromdichte vorzugsweise auf 4 mA/cm² oder höher, bevorzugter 5,0 mA/cm² oder höher und noch bevorzugter 5,5 mA/cm² oder höher eingestellt. Eine obere Grenze der Stromdichte wird auf etwa 12 mA/cm² und vorzugsweise etwa 10 mA/cm² eingestellt. Zusätzlich wird die Plattierungszeit auf beispielsweise 300 Sekunden oder kürzer, vorzugsweise 100 Sekunden oder weniger und noch bevorzugter etwa einige zehn Sekunden eingestellt. Als Ergebnis hat das Aussehen einen grauen Zustand, der Platingrau oder Platinmohr genannt wird. Auf diese Weise ist es in dem Platingrau- oder Platinmohrzustand möglich, die Prägung auf dem Platinfilm zu vergrößern und eine komplizierte Struktur (wie etwa einen dendritischen Vorsprung) in dem REM-Querschnitt zu erhalten.
Als Ergebnis ist es möglich, den Platinfilm 8 nur in dem ersten Vibrator 2 selektiv zu plattieren, wobei die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 nach der Bildung des Sensors verwendet wird. Gemäß dieser Ausführungsform kann das Strukturieren in geeigneter Weise auf Elektroden auf beiden Seiten des ersten Vibrators 2 angewendet werden. Zusätzlich ist es möglich, die Dicke des Platinfilms 8 leicht zu steuern. Darüber hinaus ist es vorteilhafterweise möglich, alle Proben auf dem Wafer kollektiv zu plattieren.
Alternativ kann in dieser Ausführungsform Platinmohrpulver auf Elektroden von beiden Seiten des ersten Vibrators 2 unter Verwendung eines Bindemittels aufgetragen werden. In diesem Fall wird vorzugsweise ein anorganisches Bindemittel als Bindemittel verwendet.
Beispiele
Im Folgenden werden Beispiele beschrieben, die durchgeführt wurden, um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu beweisen. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eines der folgenden Beispiele beschränkt ist.
<Versuchsbeispiel 1>
In einem Experiment wurde ein Wasserstoffsensor als ein Beispiel hergestellt, indem die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht 4 durch Plattieren von Platinmohr gebildet wurde und ein Wasserstoffsensor eines Vergleichsbeispiels wurde durch Sputtern von Platin hergestellt, wie in Patentdokument 2 diskutiert. Daraufhin wurde die Empfindlichkeit jedes Wasserstoffsensors in einer Wasserstoffumgebung gemessen. Ein Ergebnis des Experiments ist in 12 dargestellt.
Wie in 12 dargestellt, wurde erkannt, dass der Wasserstoffsensor des Beispiels eine Empfindlichkeit aufwies, die fast doppelt so hoch war wie die des Wasserstoffsensors des Vergleichsbeispiels.
Als anderes Experiment der Empfindlichkeit wurde ein Vibrator (Wasserstoffsensor) mit einem Platinfilm mit einer durchschnittlichen Dicke von 518 nm durch Plattieren von Platinmohr mit einer Stromdichte von 9,17 mA/cm² hergestellt. Zusätzlich wurde als Vergleichsbeispiel ein Vibrator (Wasserstoffsensor) mit einem Platinsputterfilm mit einer Dicke von 250 nm hergestellt.
Zur Empfindlichkeitsmessung wurde ein reines Luft-Wasserstoff-Gasgemisch mit einer Wasserstoffkonzentration von 0,3 % verwendet. Das Ergebnis der Empfindlichkeitsmessung ist in Tabelle 1 wie folgt gezeigt.

[Tabelle 1]

Art des Platinkatalysators	Pt-Sputtern	Pt-Schwarzplattieren
Anzahl der Proben	4	3
Frequenzunterschied [ppm]	40,2	146,6
Empfindlichkeit [ppm/%]	134,1	488,7
Standardabweichung der Empfindlichkeit	9,5	82,1
TCF [ppm/°C]	20	26,3
ΔT[°C] bei H₂:1 %	6,7	18,8

Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde beispielsweise für eine Resonanzfrequenz von etwa 16 MHz ein durchschnittlicher Anstieg der Frequenz von 146,6 ppm in dem Wasserstoffsensor, der die Platinmohrplattierung aufwies, beobachtet. Dies ist eine 3,65-mal höhere Empfindlichkeit als die des Wasserstoffsensors des Vergleichsbeispiels mit dem Platin-Sputterfilm. Der Anstieg der Temperatur, der durch eine Verbrennungsreaktion von Wasserstoff verursacht wurde, wurde unter Verwendung des tatsächlichen Messwerts der Temperaturkoeffizienten der Frequenz (TCF) des Wasserstoffsensors berechnet. Folglich wurde erkannt, dass der Anstieg der Temperatur in dem Wasserstoffsensor des Beispiels mit der Platinmohrplattierung das 2,8-fache desjenigen des Wasserstoffsensors des Vergleichsbeispiels mit dem Platinsputterfilm betrug. Auf diese Weise wurde erkannt, dass in dem Wasserstoffsensor des Beispiels mit der Platinmohrplattierung der TCF erhöht war und dies führte zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit des Wasserstoffsensors gegenüber der Differenz des Platinkatalysators.
<Versuchsbeispiel 2>
Als nächstes wurden Q-Faktoren unter Verwendung jedes Wasserstoffsensors unter Verwendung der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht 4 mit Platinfilmen unterschiedlicher Dicke gemessen, wie in 6A bis 6C dargestellt. Die resultierenden Werte sind in 13 dargestellt.
Daten, die durch Einstellen von „Dicke = 0 nm“ aus 13 erhalten werden, sind ein Q-Faktor des Vibrators vor der Platinfilmplattierung. Wie in 13 dargestellt, wurde erkannt, dass der Q-Faktor relativ zur Dicke des Platinfilms exponentiell verringert war.
Wie in 13 dargestellt, wurde erkannt, dass der Q-Faktor des Vibrators mit einer Platinfilmdicke von etwa 100 nm vor der Bildung des Platinfilms (Dicke = 0 nm) nahezu gleich dem des Vibrators war.
Auf diese Weise wurde erkannt, dass eine Verringerung des Q-Faktors unterdrückt werden konnte. Die Dicke des Platinfilms wird vorzugsweise auf 600 nm oder weniger, bevorzugter auf 500 nm oder weniger, noch bevorzugter auf 300 nm oder weniger, noch bevorzugter auf 150 nm oder weniger und am bevorzugtesten auf etwa 100 nm eingestellt.
<Versuchsbeispiel 3>
Als nächstes wurde die Empfindlichkeit zwischen jedem gebildeten Wasserstoffsensor unter Verwendung der katalytischen Wasserstoffreaktionsschichten 4 einschließlich Platinfilmen mit unterschiedlichen Dicken verglichen, wie in 6A bis 6C dargestellt.
Die Empfindlichkeit wurde unter Verwendung einer Gaskammer gemessen. Die Wasserstoffkonzentration wurde durch Steuern eines Mischungsverhältnisses zwischen reinem Wasserstoffgas und trockener Standardluft unter Verwendung eines Massendurchflussreglers eingestellt. Der Druck innerhalb der Kammer wurde bei Raumtemperatur bei etwa 0,1 MPa gehalten. Zusätzlich wurde eine Durchflussrate von 1 1/min für eine Kammer von 300 ml eingestellt. Ein Ergebnis des Experiments für die Empfindlichkeit ist in Tabelle 2 gezeigt.
[Tabelle 2]

Probe Katalysatordicke [nm] Frequenzänderung/1 % H₂

A 116 563 ppm

B 386 488 ppm

C 518 489 ppm
Probe A aus Tabelle 2 ist eine Probe, in der der Platinfilm eine Dicke von 116 nm aufweist. Probe B ist eine Probe, in der der Platinfilm eine Dicke von 386 nm aufweist. Probe C ist eine Probe, in der der Platinfilm eine Dicke von 518 nm aufweist.
In dem Experiment wurde die Empfindlichkeit für jede Probe dreimal gemessen und es wurde ein Durchschnittswert erhalten. Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurde erkannt, dass Probe A mit der kleinsten Filmdicke die höchste Empfindlichkeit aufwies. Inzwischen wurde erkannt, dass ein Unterschied der Empfindlichkeit zwischen den Proben B und C kleiner war als der Unterschied der Filmdicke.
14 zeigt ein Ausgangssignal des Wasserstoffsensors dieses Beispiels für einen Wasserstoffkonzentrationsbereich von 0 bis 1 %. Es wurde erkannt, dass die Linearität der Empfindlichkeit und die Erholungseigenschaft ausgezeichnet sind.
In den letzten Jahren ist das Interesse an Wasserstoffenergie wie z. B. einer Haushaltsbrennstoffzelle, einem Brennstoffzellenfahrzeug (Fuel Cell Vehicle, FCV) und einer Wasserstoffstation gestiegen. Aus diesem Grund wird davon ausgegangen, dass die Nachfrage nach einer Messung der Wasserstoffkonzentration in Anlagen oder dergleichen zur Erzeugung, Abgabe, Speicherung und Verwendung von Wasserstoff zunehmend ansteigt.
Unter Verwendung des Wasserstoffsensors gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Wasserstoffkonzentration selbst dann zu erfassen, wenn Wasserstoff in der Luft mit einer niedrigen Konzentration gemischt wird. Darüber hinaus ist es möglich, die Wasserstoffkonzentration genau zu messen und eine bemerkenswert hohe Empfindlichkeit selbst dann zu erzielen, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Daher ist der Wasserstoffsensor gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Messung der Wasserstoffkonzentration in jedem der oben beschriebenen Aspekte nützlich.
Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der am 16. September 2015 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-183106 , deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008224581 A [0006]
JP 2010256157 A [0006]
JP 2015183106 [0093]

Claims

Wasserstoffsensor, der Folgendes umfasst: mindestens einen ersten Quarzvibrator und einen zweiten Quarzvibrator, der in einer Quarzplatte gebildet ist; eine katalytische Wasserstoffreaktionsschicht, die einen Platinfilm aus Platinmohr umfasst, der auf beiden Seiten des ersten Quarzvibrators gebildet ist; und eine reaktionsfreie Wasserstoffschicht Schicht, die in dem zweiten Quarzvibrator gebildet ist, wobei eine Wasserstoffkonzentration gemessen wird, indem eine Temperatur des ersten Quarzvibrators gemessen wird, die durch die Verbrennungswärme erhöht wird, die durch Oxidation von Wasserstoff durch die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht als eine Änderung einer Eigenfrequenz des ersten Quarzvibrators in Bezug auf eine Eigenfrequenz des zweiten Quarzvibrators verursacht wird.
Wasserstoffsensor, der Folgendes umfasst: mindestens einen ersten Quarzvibrator und einen zweiten Quarzvibrator, der in einer Quarzplatte gebildet ist; eine katalytische Wasserstoffreaktionsschicht, die auf beiden Seiten des ersten Quarzvibrators gebildet ist und einen Platinfilm mit einer Vielzahl von Vorsprüngen auf ihrer Oberfläche umfasst, wobei die Vorsprünge eine Partikelform bei der Oberflächenbeobachtung oder eine dendritische Form, eine nadelartige Form oder eine säulenartige Form bei der Querschnittsbeobachtung; und eine reaktionsfreie Wasserstoffschicht Schicht, die in dem zweiten Quarzvibrator gebildet ist, aufweisen, wobei eine Wasserstoffkonzentration gemessen wird, indem eine Temperatur des ersten Quarzvibrators gemessen wird, die durch die Verbrennungswärme erhöht wird, die durch Oxidation von Wasserstoff in der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht als eine Änderung einer Eigenfrequenz des ersten Quarzvibrators in Bezug auf eine Eigenfrequenz des zweiten Quarzvibrators verursacht wird.
Wasserstoffsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine durchschnittliche Dicke der katalytischen Wasserstoffreaktionsschicht auf 30 nm oder mehr und 600 nm oder weniger eingestellt ist.
Wasserstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht durch Plattieren des Platinfilms gebildet wird.
Wasserstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die katalytische Wasserstoffreaktionsschicht durch Auftragen von Platinmohrpulver gebildet wird.