JP2005121516A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス分子を強電界でイオン化させてそのイオン電流を検出するガスセンサにおいて、印加電圧を走査することによるガスの分析時間の遅れをなくすこと。
【解決手段】 多数の柱状導電体２０３と、その先端部に対峙した平板状電極２０５と、柱状導電体２０３を正極および平板状電極２０５を負極とする電源１０６と、柱状導電体２０３と平板状電極２０５との間に流れるイオン電流を検出する手段１０７を備え、柱状導電体２０３をその直径の大小に応じて配列し、かつこの配列に沿って平板状電極２０５を多数設けることにより、すべての柱状導電体２０３に同一の電圧を印加しているにも関わらず、柱状導電体２０３の先端部の電界強度が配列に沿って変化するので、ガス分子のイオン化が発生する電界を電源電圧の走査なしに見い出せる。
【選択図】 図１

Description

本発明はガス分子を強電界でイオン化させてそのイオン電流を検出するガスセンサに関する。

従来のガスセンサとしては、柱状導電体を用いて強電界を発生させているものがあった（例えば、非特許文献１参照）。また、先端を先細形状にして強電界を発生させているものもあった（例えば、特許文献１参照）。図６は、前記非特許文献1 に記載された従来のガスセンサを示すものである。

図６において、柱状導電体はカーボンナノチューブ（以降、ＣＮＴと略す）であり、Ｓｉ基板１０１上のＳｉＯ₂膜１０２に成長させたＣＮＴ１０３と平板形状の金属電極１０５との間に、ガラスからなる絶縁体１０４によって保持されたギャップを有し、ＣＮＴ１０３が正極になるように電源１０６で電圧を印加していた。使用しているCNT１０３の直径は、ほぼ均一で３０ｎｍ程度と大変細いため、その先端には，比較的低い電圧で強い電界が発生し，周囲のガスをイオン化させていた。電流計１０７はイオン化による電流を検出し、金属電極１０５は多数の柱状導電体１０３からイオン電流を集めるので、金属電極１０５の面積に１個の先細形状しか存在しない場合に比べて充分な大きなイオン電流が得られていた。電源１０６の電圧を０Ｖから数百Ｖまで上昇させていくに伴い、ガスの種類に応じてある特定の印加電圧でイオン化電流が生じていた。イオン化電流の発生時の印加電圧がガスの種類によって明確に異なる特徴を利用し，ガスの種類を分析していた。
Ashish Modi, Nikhil Koratkar, Eric Lass, Bingqing Wei & Pulickel M. Ajayan: Nature vol.424 (2003年７月１０日号) p.171-p.174. 特開平９−２１０９６３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、印加電圧を数百Ｖまでの幅広い値にわたって走査するので、ガスの種類を同定するのに時間を要するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、印加電圧を走査する必要がないガスセンサを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のガスセンサは、柱状導電体を直径の小さいものから大きいものまで変化させて配列した構造を有し、其々の柱状導電体に印加する電圧を同一にした状態でも柱状導電体の配置場所に応じて電界強度を変化させる。

本構成によって、印加電圧を走査することなく電界強度を場所に応じて変化させ、ガスのイオン化電圧の差異を柱状導電体の配置場所に対応させて明示する事ができる。

本発明のガスセンサによれば、印加電圧を走査する必要がなく、高速にガス種を同定することができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるガスセンサの断面図である。図１において、図６と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図１において、柱状導電体２０３は高エネルギーのイオン若しくは中性子を厚さ１０μｍ程度の絶縁性のポリマー膜２０１に照射することにより形成されたトラック領域をエッチングにより開口し（これについては実施の形態３で後述する）、スパッタ法で形成した金属層２０２を陰極として、出来た孔（数密度１Ｅ８／ｃｍ２）に金属を電気メッキ法により埋め込んだ金属円柱であり、円柱の直径の大きいもの（１００ｎｍ、図１の左側）から小さいもの（１０ｎｍ、図１の右側）へと配列させており、特にポリマー膜２０１としてポリカーボネートを、メッキ金属としてロジウムを材料に用いている。平板状電極２０５はガラス基板２０４上にホトリソグラフィー法により面積１０μｍ×１０μｍの金属板を２０μｍ間隔で多数配置したものであり、特にアルミニウムを材料に用いている。

かかる構成によれば柱状導電体２０３をその直径の大小に応じて配列することにより、すべての柱状導電体２０３に同一の電圧を印加しているにも関わらず、柱状導電体２０３の先端部の電界強度が柱状導電体２０３の配列に沿って変化することとなり、電源電圧の走査なしにガス分子に与える電界を変化させることができる。

すなわち、イオン化に必要な電界が得られた、ある直径以下の柱状導電体２０３とそれらに対峙する平板状電極２０５の間にイオン電流が流れ、当該ある直径以下の柱状導電体２０３に対応する電流計１０７によりイオン電流は検出される。一定の電源電圧を与えておけば、電圧を走査することなく常に、存在するガスの種類に応じて反応する電流計１０７の配列に沿った位置が直ちに変化し、ガス種の変化をリアルタイムで検出することができる。また、平面電極２０５は微細であるが、その面積に柱状導電体２０３は平均１００個存在する（すなわち、平面視において１つの平面電極２０５に平均１００個の柱状導電体２０３が重なり合う）ので、平板電極２０５の面積に１個程度しか存在しない場合に比べて充分な大きなイオン電流が得られている。

なお、本実施の形態において、柱状導電体と平板状電極との間に流れる電流を検出する手段として電流計１０７を設けたが、発生するイオン電流に対して順方向に接続しイオン電流の発生により発光するダイオードとしても良いし、平板状電極２０５とこの発光ダイオードを同一の半導体基板に作りこんでも良い。

なお、本実施の形態において、電界集中を生じさせる構造物として柱状導電体２０３を設けたが、粒径に応じて配列した微粒子としても良い。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２のガスセンサの断面図である。図２において、図１および図６と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図２において、透明電極３０５は前記電極１０５を一定範囲の波長の光が透過するように材料を変更した導電体であり、蛍光物質３０７の発光する波長が通過するようにしており、特に透明電極１０５はＩＴＯを材料に用いている。

かかる構成によれば柱状導電体２０３近傍の強電界でガス分子がイオン化し、蛍光物質３０７に衝突することにより、蛍光物質３０７が発光し、イオン電流が発生した位置を可視化することができる。発光位置はガス分子をイオン化させるだけの強電界が生じた、ある値以下の直径を有する柱状導電体２０３が存在する領域に対応しており、ガス分子の種類や組成の変化により、リアルタイムで透明電極３０５上の発光位置および発光強度が変化する。すなわち、透明電極３０５上の発光位置および発光強度の変化から、ガス分子の種類や組成の変化を遅滞なく読み取ることができる。

なお、本実施の形態において、透明電極３０５を透過する発光状態の検出手段として目視するとしたが、ＣＣＤによる検出としても良い。

なお、本実施の形態において、ガス分子の種類の特定を発光位置によるとしたが、ニューラルネットによるパターンマッチングとしても良い。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の多孔体の製造方法の説明図である。図３において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図３（ａ）において、トラック２０１ａは高エネルギーのイオン若しくは中性子を照射により形成された微細な損傷領域であり、照射高エネルギー粒子の飛来位置に対応してポリマー膜２０１にランダムに存在し、膜表面にほぼ垂直である。容器４０２に貯めてあるエッチング液４０１はトラック２０１ａを選択的にエッチングする作用を有し、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ溶液、硫酸、硝酸等の酸性溶液、重クロム酸カリウム、過マンガン酸カリウム等の酸化剤が利用可能である。孔２０１ｂはトラック２０１ａがエッチングにより形成されたものである。ローラー４０３を回転することによりポリマー膜２０１は移動方向４０４に移動する。すなわち、まずポリマー膜２０１はエッチング液４０１の中に漬かり、ある時間を経てエッチング液４０１から引き上げられ、エッチングは停止する。従来、ローラー４０３を一定速度で回転させることにより、エッチング液４０１に漬かっている時間はほぼポリマー膜２０１全面で同じとなり、トラック２０１ａがエッチングされ形成される孔２０１ｂの直径は従って、ポリマー膜２０１面内の至る所で同じであった。

本発明の製法では、ローラー４０３の回転速度を図３（ｂ）に示すように時間と共に低下させることにより、ポリマー膜２０１の一方向に沿ってエッチング時間が変化することとなり形成される孔径を同方向に沿って変化させることができる。また、ローラー４０３の回転速度を図３（ｂ）に示すように時間と共に向上させても良い。言うまでもなく、エッチング液４０１に漬かっている時間が長いと孔２０１の直径は大きくなり、エッチング液４０１に漬かっている時間が短いと孔２０１の直径は小さくなる。これは、後述する実施の形態４、５でも同様である。なお、本実施の方法において、ローラー４０３の回転速度を時間の１次関数として変化させたが、１次関数以外でも良い。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４の多孔体の製造方法の説明図である。図４において、図１および図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

かかる構成によれば図４（ａ）のポリマー膜２０１をエッチング液４０１から引き上げる際、図４（ｂ）に示すようにその一端から移動方向４０４に示す方向に一定速度で引き上げることにより、ポリマー膜２０１の面内の引き上げ方向に沿ってにエッチング時間が変化することとなり、形成される孔径を同方向に沿って変化させることができる。前記実施の形態３とは異なり、本実施の形態ではポリマー膜２０１を枚葉処理するのに適している。

なお、本実施の方法において、ポリマー膜２０１の引き上げ速度を一定としたが、速度を時間により変化させても良い。

（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５の多孔体の製造方法の説明図である。図５において、図１、図３および図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

かかる構成によれば図５（ａ）のポリマー膜２０１をその一端からエッチング液４０１に一定速度で浸していき、図５（ｂ）に示すようにポリマー膜２０１全体が漬かったのち、図５（ｃ）に示すようにポリマー膜２０１を一定速度で引き上げることにより、ポリマー膜２０１の面内の一定方向に沿ってにエッチング時間が変化することとなり、形成される孔径を同方向に沿って変化させることができる。前記実施の形態４とは異なり、本実施の形態ではポリマー膜２０１に曲げ変形が無いのでポリマー膜２０１に与える機械的負荷を低減するのに適している。

なお、本実施の方法において、ポリマー膜２０１の移動速度を一定としたが、もちろん速度を時間により変化させても良い。

実施の形態３〜５の説明に係る多孔体の製造方法は、ガスセンサを得るための多孔体の製造方法に限られず、実施の形態３〜５の説明に係る製造方法により得られた多孔体は、ガスセンサ以外にも用いられ得る。

本発明にかかるガスセンサは、高速なガス種の判定能力を有し、環境モニタリング用等として有用である。また薬品製造工程用センサやテロ防止用ガス検知器等の用途にも応用できる。

本発明の実施の形態１におけるガスセンサの断面図 本発明の実施の形態２におけるガスセンサの断面図 本発明の実施の形態３における多孔体の製造方法の説明図 本発明の実施の形態４における多孔体の製造方法の説明図 本発明の実施の形態５における多孔体の製造方法の説明図 従来のガスセンサの断面図

符号の説明

１０１ Ｓｉ基板
１０２ ＳｉＯ２膜
１０３ カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
１０４ 絶縁体
１０５ 電極
１０６ 電源
１０７ 電流計
２０１ ポリマー膜
２０１ａ トラック
２０１ｂ 孔
２０２ 金属層
２０３ 柱状導電体
２０４ ガラス基板
２０５ 平板状電極
３０５ 透明電極
３０７ 蛍光物質
４０１ エッチング液
４０２ 容器
４０３ ローラー
４０４ 移動方向

Claims (8)

1. 直径の大小に従って整列した柱状導電体群と、
   柱状導電体の先端部に対峙した平板状電極と、
   柱状導電体を正極および平板状電極を負極とする電源と、
   柱状導電体と平板状電極との間に流れる電流を検出する手段とを備えたガスセンサ。
2. 柱状導電体の先端部に対峙した平板状電極を複数有し、１つの平板状電極の面積は柱状導電体が複数本存在する大きさを有し、其々の平板状電極と柱状導電体との間に流れる電流を検出する手段を設けた、
   請求項１に記載のガスセンサ。
3. 柱状導電体の先端部に対峙した平板状電極を、透明電極材料により形成し、かつ蛍光物質を透明電極表面に設けた、
   請求項１に記載のガスセンサ。
4. 蛍光物質が発光する位置、分布、強度からガスの成分若しくは濃度を分析する、
   請求項３に記載のガスセンサ。
5. 直径の大小に従って整列した柱状導電体群を、孔径の大小に従って孔が整列する多孔体に対してメッキ法で金属を埋め込むことにより形成した、
   請求項１に記載のガスセンサ。
6. 内径に応じて整列する孔を、イオンもしくは中性子の照射によりトラックを形成した膜の面内でのエッチング時間を変化させることにより形成した、
   請求項５に記載のガスセンサ。
7. トラックを形成した膜の面内でのエッチング時間を変化させるのを、膜をエッチング液中で移動させるためのローラーの回転速度を時間と共に変化させて行う、
   請求項５に記載のガスセンサ。
8. トラックを形成した膜の面内でのエッチング時間を変化させるのを、エッチング液中に漬けた膜を片側から引き上げることにより行う、
   請求項５に記載のガスセンサ。
   
   

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