利用報告書 / User's Reports | ARIM Japan公式ホームページ

【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.03.13】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24KT2382

利用課題名 / Title

高精度MEMS熱伝導式水素センサの開発

利用した実施機関 / Support Institute

京都大学 / Kyoto Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

熱伝導式水素センサ,高精度,高温マイクロヒーター,リソグラフィ/ Lithography,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,ダイシング/ Dicing,ワイヤーボンディング/ Wire Bonding,MEMS/NEMSデバイス/ MEMS/NEMS device,センサ/ Sensor

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

赤坂俊輔

所属名 / Affiliation

ローム株式会社

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

畑野舞子,蓑輪奈穂

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

KT-234：深堀りドライエッチング装置（１）
KT-209：磁気中性線放電ドライエッチング装置
 KT-103：レーザー直接描画装置
 KT-119：両面マスク露光&ボンドアライメント装置
 KT-218：レーザダイシング装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

現在、小型の水素センサとしては、半導体式、接触燃焼式、熱伝導式の3種類が利用されている。そのうち気体熱伝導式は、触媒作用を利用しないため触媒の劣化による特性変動がなく、長期安定性に優れている。しかし、水蒸気やCO₂といった干渉ガスの影響で測定精度が悪く水素漏れ検知用途としては不十分な性能であった[1][2]。今回、低い測定精度の原因となる干渉ガスの影響を低減することで、熱伝導式水素センサの計測精度が向上するかどうか検証した。

実験 / Experimental

磁気中性線放電ドライエッチング装置（KT-209）、深堀りドライエッチング装置（KT-234）などを用いて、図1の高温マイクロヒーターを試作した。検知対象の水素ガスと干渉ガスCO₂を用いて、センサ特性のヒーター温度依存性を評価した。ガス濃度は、窒素ガスと水素ガス、CO₂の流量比で制御した。水蒸気濃度の正確な制御は非常に難しいため、水蒸気の代わりにCO₂を用いている。なお、水蒸気とCO₂の熱伝導率はほぼ一致するため、CO₂での評価結果は水蒸気にも適用できる。

結果と考察 / Results and Discussion

図2は、水素ガス、及びCO₂に対するセンサ感度のヒーター温度依存性である。ヒーター温度が上昇すると、水素ガスに対する感度はあまり変化しないのに対し、CO₂に対する感度が大きく低下する結果となった。この結果から、ヒーター温度を上昇させると検知対象の水素ガスと干渉ガスのCO₂の選択性が大きく向上することが確認された。CO₂と窒素の熱伝導率差は高温になる程が小さくなり、450℃付近で一致する[3]。そのため、高温にしてCO₂の影響を受けにくくなった結果、CO₂に対する感度減少したのだと考えられる。今回は予期せぬ着火の危険性を考慮して350℃で計測したが、更に高温で計測すれば水素ガスとCO₂との選択性が高まり、高精度な計測ができると期待される。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1.(a)高温マイクロヒーターの光学顕微鏡写真

図1.(b)高温マイクロヒーターの断面構造

図2. 水素ガスとCO₂ガスの感度のヒーター温度依存性

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

[参考文献]
[1] Y. Kong, Y. Li, X. Cui, L. Su, D. Ma, T. Lai, L. Yao, X. Xiao, Y. Wang, “SnO₂ nanostructured materials used as gas sensors for the detection of hazardous and flammable gases: A review,” Nano Mater. Sci., vol. 4, pp. 339–350, December 2022.
[2] I. Simon, M. Arndt, “Thermal and gas-sensing properties of a micromachined thermal conductivity sensor for the detection of hydrogen in automotive applications,” Sens. Actuators A Phys., vol. 97, pp. 104–108, 2002.
[3] Handbook of Chemistry: Pure Chemistry, 6th Ed. (online)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

Shunsuke Akasaka, Temperature Dependence of Accuracy of Thermal Conductivity Hydrogen Sensor, 2024 IEEE SENSORS, , 1-4(2024).
DOI: https://doi.org/10.1109/SENSORS60989.2024.10784458

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

赤坂俊輔, "Temperature dependence of accuracy of thermal conductivity hydrogen sensor", 2024 IEEE SENSORS

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：2件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件