JP7046356B2 - Temperature sensor and its manufacturing method - Google Patents
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本発明は、温度センサ、特に生体や物体に貼付して、温度を半導体層や高分子層の抵抗値の温度依存性を利用して電極で検出する場合において、温度の経時的な変化を精度よくモニタリングすることができ、柔軟な基材に形成可能なため生体や物体への貼付に好適な温度センサに関する。 The present invention is attached to a temperature sensor, particularly a living body or an object, and when the temperature is detected by an electrode using the temperature dependence of the resistance value of the semiconductor layer or the polymer layer, the change with time of the temperature is accurately detected. The present invention relates to a temperature sensor suitable for attachment to a living body or an object because it can be monitored well and can be formed on a flexible base material.
温度センサとして、プラスチックサーミスタと呼ばれる高分子感温体の温度による電気特性の変化を温度検知に利用するものがある。 As a temperature sensor, there is a plastic thermistor that uses a change in electrical characteristics depending on the temperature of a polymer thermosensitive body for temperature detection.
例えば、高分子感温体にイオンキャリアを分散したポリ塩化ビニル組成物を用いる温度検知装置が、特許文献1に開示されている。
For example,
また、導電性粒子が分散されたアクリルモノマを印刷してなるフレキシブル性が高い温度センサが、特許文献2に開示されている。
Further,
さらに、塗布による形成が可能な半導体層としてPEDOT:PSS膜の温度による抵抗値の変化について、非特許文献1に開示されている。
Further, as a semiconductor layer that can be formed by coating, a change in resistance value depending on the temperature of a PEDOT: PSS film is disclosed in Non-Patent
特許文献1において開示されるイオン伝導性ポリビニル組成物を温度センサに用いる場合、薄くて可撓性のプラスチック基材上に、イオン伝導性ポリビニル組成物を塗布による工程で薄く柔軟な膜を形成することは困難で、そのため生体や物体への貼付に不都合な課題がある。
When the ion-conducting polyvinyl composition disclosed in
特許文献2において温度センサ用樹脂組成物が開示されており、導電性粒子が分散されたアクリルモノマを印刷して薄膜の温度センサを構成できることが記載されているが、人体の温度を測定の対象としており、特定の狭い温度範囲での抵抗値の変化を利用するものであり、広い温度範囲での測定には課題がある。また、有機半導体からなる有機トランジスタで構成するフレキシブルエレクトロニクス、例えばセンシング回路や無線通信回路等と一体化して製造する場合、半導体材料とは異なるために同時に作製できない課題がある。
例えば、非特許文献1において開示される半導体高分子を温度センサに用いる場合、薄くて柔軟なプラスチック基板上に、半導体高分子を塗布による工程で薄く柔軟な膜を容易に形成できる。しかしながら、Fig.3(a)に半導体高分子層は温度による抵抗の変化が不安定になる示唆がある通り、昇温時と降温時とで抵抗値に差が生じ、正確な温度変化をモニタリングすることができていない。
For example, when the semiconductor polymer disclosed in Non-Patent
本発明の目的は上記の課題を解決し、薄くて柔軟な基板上に塗布により薄くて柔軟な感温体を形成し、生体や物体への貼付に優れ、温度の経時的な変化を精度よくモニタリングするのに好適な温度センサを提供する。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to form a thin and flexible temperature-sensitive body by coating on a thin and flexible substrate, to be excellent in attaching to a living body or an object, and to accurately change the temperature with time. Provided is a temperature sensor suitable for monitoring.
本発明は、温度センサであって、プラスチックを含む可撓性の基材と、基材上にパターン形成された第一電極層と、基材上に第一電極層から離間してパターン形成された第二電極層と、平面視で第一電極層と第二電極層とに重畳する半導体高分子層と、半導体高分子層の少なくとも一部が覆われるイオン性高分子層と、から構成され、第一電極層と第二電極層との間に電圧を印加して、第一電極層と第二電極層の間の電流を計測して抵抗値を算出することを特徴とする。 The present invention is a temperature sensor, in which a flexible base material containing plastic, a first electrode layer patterned on the base material, and a pattern formed on the base material apart from the first electrode layer. It is composed of a second electrode layer, a semiconductor polymer layer superimposed on the first electrode layer and the second electrode layer in a plan view, and an ionic polymer layer in which at least a part of the semiconductor polymer layer is covered. It is characterized in that a voltage is applied between the first electrode layer and the second electrode layer, the current between the first electrode layer and the second electrode layer is measured, and the resistance value is calculated.
本温度センサにあっては、半導体高分子層の少なくとも一部が覆われるイオン性高分子層を設けることにより、昇温時と降温時とで生じる抵抗値の差を抑制するため、正確な温度変化をモニタリングすることができる。 In this temperature sensor, by providing an ionic polymer layer that covers at least a part of the semiconductor polymer layer, the difference in resistance value that occurs when the temperature rises and falls is suppressed, so that the temperature is accurate. Changes can be monitored.
半導体高分子層をイオン性高分子層で覆うことで、イオン性高分子層内での適度な水分子との親和性に基づく吸湿ならびに脱湿作用が働き、半導体高分子層への水分の混入による抵抗値の変化を抑制する。その結果として、昇温時と降温時における抵抗値の差が半導体高分子層のみの場合に比べて、大幅に改善されているものと推察される。 By covering the semiconductor polymer layer with an ionic polymer layer, moisture absorption and dehumidification actions based on an appropriate affinity with water molecules in the ionic polymer layer work, and water is mixed into the semiconductor polymer layer. Suppresses the change in resistance value due to. As a result, it is presumed that the difference in resistance between the temperature rise and the temperature drop is significantly improved as compared with the case where only the semiconductor polymer layer is used.
本発明は、温度センサであって、半導体高分子層はポリ-4-スチレンスルホン酸をドープしたポリ-3,4-エチレンジオキシチオフェン(PEDOT:PSS)膜からなり、イオン性高分子層はイミダゾール系イオン性ポリマからなることを特徴とする。 The present invention is a temperature sensor, in which the semiconductor polymer layer is composed of a poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT: PSS) film doped with poly-4-styrene sulfonic acid, and the ionic polymer layer is It is characterized by being composed of an imidazole-based ionic polymer.
本温度センサにあっては、半導体高分子層はPEDOT:PSS膜からなり、イオン性高分子層はイミダゾール系イオン性ポリマからなることにより、塗布による工程で薄く柔軟な膜を形成できるので好ましい。 In this temperature sensor, the semiconductor polymer layer is made of a PEDOT: PSS film, and the ionic polymer layer is made of an imidazole-based ionic polymer, so that a thin and flexible film can be formed in the coating process, which is preferable.
本発明は、温度センサであって、第一電極層および/または第二電極層は金からなることを特徴とする。 The present invention is a temperature sensor, characterized in that the first electrode layer and / or the second electrode layer is made of gold.
本温度センサにあっては、電極層は金からなることにより、金含有物を真空蒸着する工程で薄く柔軟な膜を形成でき、かつ酸化還元にも安定なので好ましい。 In this temperature sensor, since the electrode layer is made of gold, a thin and flexible film can be formed in the step of vacuum-depositing the gold-containing material, and it is also stable in redox, which is preferable.
本発明は、温度センサであって、第一電極層および/または第二電極層は銀からなることを特徴とする。 The present invention is a temperature sensor, characterized in that the first electrode layer and / or the second electrode layer is made of silver.
本温度センサにあっては、電極層は銀からなることにより、銀ナノ粒子分散インクを印刷する低温の工程で膜を形成できるので基材の選択が広がり、かつ量産性にも優れるので好ましい。 In this temperature sensor, since the electrode layer is made of silver, a film can be formed in a low-temperature step of printing silver nanoparticle-dispersed ink, so that the selection of a base material can be expanded and mass productivity is excellent, which is preferable.
本発明の温度センサは、生体や物体に貼付して温度の経時的な変化を精度よくモニタリングすることができ、有機半導体を用いるフレキシブルエレクトロニクスとの一体化も容易にする。 The temperature sensor of the present invention can be attached to a living body or an object to accurately monitor changes in temperature over time, and can be easily integrated with flexible electronics using organic semiconductors.
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明にかかる温度センサは、プラスチックを含む可撓性の基材と、基材上にパターン形成された第一電極層と、基材上に第一電極層から離間してパターン形成された第二電極層と、平面視で第一電極層と第二電極層とに重畳する半導体高分子層と、半導体高分子層の少なくとも一部が覆われるイオン性高分子層と、から構成され、第一電極層と第二電極層との間に電圧を印加して、第一電極層と第二電極層の間の電流を計測して抵抗値を算出する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The temperature sensor according to the present invention has a flexible base material containing plastic, a first electrode layer patterned on the base material, and a first electrode layer patterned on the base material separated from the first electrode layer. It is composed of a two-electrode layer, a semiconductor polymer layer superimposed on the first electrode layer and the second electrode layer in a plan view, and an ionic polymer layer in which at least a part of the semiconductor polymer layer is covered. A voltage is applied between the one electrode layer and the second electrode layer, the current between the first electrode layer and the second electrode layer is measured, and the resistance value is calculated.
図1に、本発明にかかる温度センサの基本的な構成を例示する。基材1の表面に第一電極層2と第二電極層3とが形成され、第一電極層2と第二電極層3とに重畳する半導体高分子層4、最後に半導体高分子層4を覆うイオン性高分子層5を形成することで、温度センサを構成している。
FIG. 1 illustrates a basic configuration of a temperature sensor according to the present invention. The
第一電極層2と第二電極層3とは、図示しない電源を介して電圧が印加され、検知した電流値から抵抗値を算出し温度に対応させる。
A voltage is applied to the
基材1の材料としては、例えば、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリイミド、ポリパラキシリレン(パリレン(登録商標))等の樹脂、紙等を用いることができる。
As the material of the
第一電極層2および第二電極層3の材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、アルミ
ニウム、炭素、酸化インジウム錫(ITO)等を用いることができる。
As the material of the
半導体高分子層4の材料としては、例えば、ポリ-4-スチレンスルホン酸をドープしたポリ-3,4-エチレンジオキシチオフェン(PEDOT:PSS)、ポリアニリン、ポリピロール等を用いることができる。
As the material of the
イオン性高分子層5の材料としては、イミダゾール系イオン性ポリマ、アンモニウム系イオン性ポリマ、ピペリジニウム系イオン性ポリマ、ピロリジニウム系イオン性ポリマ、ピリジニウム系イオン性ポリマ、フォスホニウム系イオン性ポリマ、スルホニウム系イオン性ポリマ、1,4-ジアザ-2,2,2-ビシクロオクタニウム系イオン性ポリマ等を用いることができる。
As the material of the
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
図1は本発明にかかる温度センサの構成を説明するための断面図である。基材1のポリエチレンナフタレート(PEN)フィルム(厚さ120μm)上に、真空蒸着装置を用い、スルーホールマスクを介して金(厚さ50nm)を蒸着することで第一電極層2と第二電極層3とのパターンを作製した。電極のパターンの形状はこれに限定されないが、第一電極層2と第二電極層3との電極幅はそれぞれ1~3mm、第一電極層2と第二電極層3との離間する間隔2mmとした。
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the temperature sensor according to the present invention. Gold (
その第一電極層2と第二電極層3とに重畳させてディスペンサ装置(武蔵エンジニアリング社製)を用い、ポリ-4-スチレンスルホン酸をドープしたポリ-3,4-エチレンジオキシチオフェン(PEDOT:PSS)を塗布し、120℃で60分焼成することで厚さ5μmの半導体高分子層4を形成した。最後に半導体高分子層4を覆うようにディスペンサ装置(武蔵エンジニアリング社製)を用い、イミダゾール系イオン性ポリマを塗布し、120℃で60分焼成することで厚さ5μmのイオン性高分子層5を形成した。
Poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) doped with poly-4-styrene sulfonic acid using a dispenser device (manufactured by Musashi Engineering Co., Ltd.) superimposed on the
本温度センサにあっては、半導体高分子層4がPEDOT:PSS、イオン性高分子層5がイミダゾール系イオン性ポリマであることにより、塗布または印刷による積層化製膜が容易にできるので好ましい。
In this temperature sensor, since the
第一電極層2と第二電極層3とが、金の蒸着で形成されていることにより、熱、湿気、酸素及び酸、アルカリ等による化学的腐食に対し非常に安定で、熱伝導と電気伝導に優れた電極を形成することができるので好ましい。
Since the
図4は比較例としての温度センサの構成を説明するための断面図である。図1に示す温度センサの実施例との違いは、イオン性高分子層5が設けられていないのみである。
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the configuration of a temperature sensor as a comparative example. The only difference from the example of the temperature sensor shown in FIG. 1 is that the
次に、本発明の温度センサを用いた検出方法を詳細に説明する。第一電極層2と第二電極層3との間の電圧の制御および第一電極層2と第二電極層3の間の電流の計測は、2400 Source Meter装置(KEITHLEY社製)を用いて行った。印加する電圧にあっては直流電圧とした。直流電圧とすることにより、回路構成がより単純化、素子微細化、しいてはウェアラブル化ができるので好ましい。
Next, the detection method using the temperature sensor of the present invention will be described in detail. The voltage control between the
図2は実施例の温度センサの温度変化に対する抵抗値の時間変化を示す図、図5は比較例の温度センサの温度変化に対する抵抗値の時間変化を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing the time change of the resistance value with respect to the temperature change of the temperature sensor of the embodiment, and FIG. 5 is a diagram showing the time change of the resistance value with respect to the temperature change of the temperature sensor of the comparative example.
図2と図5について詳細に説明する。実施例および比較例からなる温度センサをクールプレート装置(scp125、AsONE社製)に設置し、25℃から80℃まで5℃の間隔で昇温し、次いで80℃から25℃まで5℃の間隔で降温した。第一電極層2と第二電極層3との間には0.1Vの直流電圧が印加され、第一電極層2と第二電極層3の間の電流を計測して抵抗値を算出した。
2 and 5 will be described in detail. A temperature sensor consisting of an example and a comparative example was installed in a cool plate device (scp125, manufactured by AsONE), and the temperature was raised from 25 ° C to 80 ° C at 5 ° C intervals, and then from 80 ° C to 25 ° C at 5 ° C intervals. The temperature dropped at. A DC voltage of 0.1 V was applied between the
図5に示す比較例の温度センサの抵抗値は、昇温時と降温時において380Ωの差が生じるのを表すのに対して、図2に示す実施例の温度センサの抵抗値は、昇温時と降温時において0.258Ωの差にまで縮小しているのを示す。このことは、実施例の温度センサは、イオン性高分子層5が設けられたことにより、半導体高分子層4が昇温時と降温時とで抵抗値に差が生じるのを抑制できることが分かる。以上より、実施例の温度センサは温度による抵抗の変化が不安定になるのを防止し、正確な温度変化をモニタリングできる。
The resistance value of the temperature sensor of the comparative example shown in FIG. 5 indicates that a difference of 380 Ω occurs between the temperature rise and the temperature decrease, whereas the resistance value of the temperature sensor of the embodiment shown in FIG. 2 raises the temperature. It is shown that the difference between the time and the temperature decrease is reduced to 0.258Ω. This indicates that the temperature sensor of the embodiment can suppress the difference in resistance between the temperature rise and the temperature decrease of the
変形例として、第一電極層2と第二電極層3とが、銀ナノ粒子分散インクの印刷で形成されていること、基材1にポリエチレンナフタレート(PEN)よりも耐熱性が低いポリエチレンテレフタレート(PET)を使用していること以外は上記の実施例と同様である。
As a modification, the
基材1にポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(厚さ120μm)上に、ディスペンサ装置(武蔵エンジニアリング社製)を用い、銀ナノ粒子分散インクを塗布し、120℃で30分焼成することで厚さ50nmの第一電極層2と第二電極層3とそれぞれのパターンを作製した。なお、パターン形状は前記の実施例と同様とした。
Using a dispenser device (manufactured by Musashi Engineering Co., Ltd.), silver nanoparticle dispersion ink is applied to the
図3は変形例の温度センサの温度変化に対する抵抗値の時間変化を示す図である。変形例からなる温度センサをクールプレート装置(scp125、AsONE社製)に設置し、25℃から80℃まで5℃の間隔で昇温し次いで80℃から25℃まで5℃の間隔で降温した。第一電極層2と第二電極層3との間には0.1Vの直流電圧が印加され、第一電極層2と第二電極層3の間の電流を計測して抵抗値を算出した。第一電極層2と第二電極層3との間の電圧の制御および第一電極層2と第二電極層3の間の電流の計測は、2400 Source Meter装置(KEITHLEY社製)を用いて行った。
FIG. 3 is a diagram showing the time change of the resistance value with respect to the temperature change of the temperature sensor of the modified example. A temperature sensor made of a modified example was installed in a cool plate device (scp125, manufactured by AsONE), the temperature was raised from 25 ° C. to 80 ° C. at intervals of 5 ° C., and then the temperature was lowered from 80 ° C. to 25 ° C. at intervals of 5 ° C. A DC voltage of 0.1 V was applied between the
図3に示す変形例の温度センサの抵抗値は、昇温時と降温時において0.265Ωの差になっているのを示す。この抵抗値の差は、図2の実施例の場合と同様に図5の比較例に比べて大幅に縮小しているのがわかる。このことは、変形例の温度センサでも、イオン性高分子層5が設けられたことにより、半導体高分子層4が昇温時と降温時とで抵抗値に差が生じるのを抑制できることが分かる。以上より、変形例の温度センサは温度による抵抗の変化が不安定になるのを防止し、正確な温度変化をモニタリングできる。
It is shown that the resistance value of the temperature sensor of the modified example shown in FIG. 3 has a difference of 0.265 Ω when the temperature is raised and when the temperature is lowered. It can be seen that this difference in resistance value is significantly reduced as compared with the comparative example of FIG. 5, as in the case of the embodiment of FIG. It can be seen that even in the temperature sensor of the modified example, it is possible to suppress the difference in the resistance value of the
また、第一電極層2と第二電極層3とを銀ナノ粒子分散インクの印刷で形成するにより、工程での処理温度を低くできるので基材1の耐熱性の制約が緩和され、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等が使用でき、安価に提供することができるので好ましい。
Further, by forming the
以上、説明した温度センサは、可撓性の基材1上に形成することができるので生体や物体に貼付して、温度の経時的変化を精度よくモニタリングすることができる。また、センサの基材1上に有機半導体を用いるセンシング回路や無線通信回路等との一体化にも有効な手段となる等、それらの効果は大なるものである。
Since the temperature sensor described above can be formed on the
1 基材
2 第一電極層
3 第二電極層
4 半導体高分子層
5 イオン性高分子層
1
Claims (9)
前記基材上にパターン形成された第一電極層と、
前記基材上に前記第一電極層から離間してパターン形成された第二電極層と、
平面視で前記第一電極層と前記第二電極層とに重畳する半導体高分子層と、
前記半導体高分子層の少なくとも一部が覆われるイオン性高分子層と、
から構成される温度センサ。 With a flexible substrate containing plastic,
The first electrode layer patterned on the substrate and
A second electrode layer formed on the base material in a pattern separated from the first electrode layer,
A semiconductor polymer layer superimposed on the first electrode layer and the second electrode layer in a plan view,
An ionic polymer layer that covers at least a part of the semiconductor polymer layer,
A temperature sensor consisting of.
前記イオン性高分子層はイミダゾール系イオン性ポリマからなる、
請求項1に記載の温度センサ。 The semiconductor polymer layer is composed of a poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT: PSS) film doped with poly-4-styrene sulfonic acid.
The ionic polymer layer is made of an imidazole-based ionic polymer.
The temperature sensor according to claim 1.
請求項1または請求項2に記載の温度センサ。 The first electrode layer and / or the second electrode layer is made of gold.
The temperature sensor according to claim 1 or 2.
請求項1または請求項2に記載の温度センサ。 The first electrode layer and / or the second electrode layer is made of silver.
The temperature sensor according to claim 1 or 2.
前記第一電極層と前記第二電極層の間の電流を計測して抵抗値を算出する、
請求項1から請求項4のいずれかに記載の温度センサ。 A DC voltage is applied between the first electrode layer and the second electrode layer,
The resistance value is calculated by measuring the current between the first electrode layer and the second electrode layer.
The temperature sensor according to any one of claims 1 to 4.
前記第一電極層から離間してパターン形成された第二電極層と、を形成する工程と、
平面視で前記第一電極層と前記第二電極層とに重畳する半導体高分子層を形成する工程と、
前記半導体高分子層の少なくとも一部が覆われるイオン性高分子層を形成する工程と、
を含む温度センサの製造方法。 A first electrode layer patterned on a flexible substrate containing plastic,
A step of forming a second electrode layer having a pattern formed apart from the first electrode layer, and a process of forming the second electrode layer.
A step of forming a semiconductor polymer layer superimposed on the first electrode layer and the second electrode layer in a plan view, and
The step of forming an ionic polymer layer in which at least a part of the semiconductor polymer layer is covered, and
Manufacturing method of temperature sensor including.
前記イオン性高分子層を形成する工程は、イミダゾール系イオン性ポリマを塗布する工程を含む、
請求項6に記載の温度センサの製造方法。 The step of forming the semiconductor polymer layer includes a step of applying poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT: PSS) doped with poly-4-styrene sulfonic acid.
The step of forming the ionic polymer layer includes a step of applying an imidazole-based ionic polymer.
The method for manufacturing a temperature sensor according to claim 6.
請求項6または請求項7に記載の温度センサの製造方法。 The step of forming the first electrode layer and / or the second electrode layer includes a step of vacuum-depositing the gold-containing material.
The method for manufacturing a temperature sensor according to claim 6 or 7.
請求項6または請求項7に記載の温度センサの製造方法。 The step of forming the first electrode layer and / or the second electrode layer includes a step of printing a silver nanoparticle dispersion ink.
The method for manufacturing a temperature sensor according to claim 6 or 7.
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Shunsuke Yamada and Hiroshi Toshiyoshi,Temperature Sensor with a Water-Dissolvable Ionic Gel for Ionic Skin,American Chemical Society Journal,米国,American Chemical Society,2020年07月07日,12巻32号,36449-36457,https://doi.org/10.1021/acsami.0c10229 |
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