JP2007183270A - 炭素ナノチューブを利用したガスセンサー及びその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素ナノチューブを利用したガスセンサー及びその測定方法を提供する。
【解決手段】基板２１上に離隔されて形成された第１電極２３及び第２電極２３と、基板２１上で第１電極２３と第２電極２３とを連結する炭素ナノチューブ２４と、炭素ナノチューブ２４の上側に設置された光源４０と、第１電極２３と第２電極２３との間の電流を測定する電流計３０と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素ナノチューブを利用したガスセンサー及びその測定方法に係り、詳細には、炭素ナノチューブに光を照射して炭素ナノチューブに流れる電流を測定することによって、所定の空間に注入されたガスの種類及び濃度を共に検出するガスセンサーと、このセンサーを使用して未知のガスの種類及び濃度を測定する方法に関する。

炭素ナノチューブは、電気導電性及び熱的安定性が良好であり、数ｎｍまたは数十ｎｍの直径からμｍ単位に長く形成して、微細構造のＮＥＭＳ（Ｎａｎｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）素子としての応用性が非常に優れている。近年、炭素ナノチューブを多様な素子に応用するための研究が盛んに行われており電界放出素子、光通信分野の光スイッチ、またはバイオ素子にも適用されている。

一方、非特許文献１には、炭素ナノチューブを利用したガスセンサーが開示されている。この論文におけるセンサーは、ゲート電圧を印加して特定の気体の有無を検出する。
従来のガスセンサーは、一つのセンサーで１種の気体の検出に使用されるので、気体が変われば、他のセンサーを必要とする。また、前記気体の濃度を検出するための別途の圧力センサーが必要になる場合がある。
"Ｎａｎｏｔｕｂｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｗｉｒｅｓ ａｓ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ"（Ｊｉｎｇ Ｋｏｎｇら、Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｖｏｌ．２８７、６２２（Ｊａｎｕａｒｙ ２０００））

本発明は、前述した従来技術の技術的な課題を解決するために成されたものであって、気体の種類及び濃度を同時に測定することができる炭素ナノチューブを利用したガスセンサーを提供することを目的とする。

また、本発明は、前記ガスセンサーで未知のガスの種類及び濃度を共に測定する方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明に係る炭素ナノチューブを利用したガスセンサーは、基板上に離隔されて形成された第１電極及び第２電極と、前記基板上で前記第１電極と第２電極とを連結する炭素ナノチューブと、前記炭素ナノチューブの上側に設置された光源と、前記第１電極と第２電極との間の電流を測定する電流計と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、前記炭素ナノチューブは、前記基板上に形成された触媒から成長されて、前記第１電極と第２電極とを電気的に連結する。

本発明のガスセンサーは、前記基板の底部に着脱可能な真空チャンバをさらに備え、前記光源は、前記真空チャンバの上部に設置され、前記真空チャンバの一側にはガス注入口が形成される。

前記ガスセンサーは、未知のガスの種類及び濃度を共に測定する。

前記目的を達成するための本発明に係る炭素ナノチューブを利用したガスセンサーで未知のガスを測定する方法は、前記電極に所定の電圧を印加して、前記炭素ナノチューブに流れる第１電流（Ｉ_ｄａｒｋ）を測定する第１ステップと、予め作成したデータベースを照会して、測定した前記第１電流（Ｉ_ｄａｒｋ）に対応するガスの種類及び圧力を決定する第２ステップと、前記光源に所定時間電圧を印加しつつ、前記炭素ナノチューブを流れる第２電流（Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}）を測定する第３ステップと、前記データベースを照会して、前記第２電流（Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}）ガスの種類及び圧力を決定する第４ステップと、前記第２ステップで決定したガスの種類及び圧力と、前記第４ステップで決定したガスの種類及び圧力とを比較して、前記第２ステップで決定したガスの種類及び圧力と、前記第４ステップで決定したガスの種類及び圧力との対応関係から前記未知のガスの種類及び濃度と決定する第５ステップと、を含むことを特徴とする。

前記第１ステップは、前記ガスセンサーを備える真空チャンバ内に前記未知のガスを充填させるステップをさらに含む。

前記第３ステップは、前記第２電流（Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}）のピーク値（Ｉ_ｐｅａｋ）を算出するステップと、前記第２電流（Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}）ピーク値（Ｉ_ｐｅａｋ）を前記第１電流で除した値（Ｉ_ｐｅａｋ／Ｉ_ｄａｒｋ）を算出するステップと、をさらに含み、前記第４ステップは、前記算出した値（Ｉ_ｐｅａｋ／Ｉ_ｄａｒｋ）に対応するガスガスを前記データベースで照会するステップをさらに含むことが望ましい。

前記データベースは、複数のガスに対してそれぞれのガスの濃度による前記第１電流と（Ｉ_ｄａｒｋ）前記第２電流と（Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}）を測定したデータベースである。

本発明の炭素ナノチューブを利用したガスセンサーによれば、一つのガスセンサーで複数の未知のガス中で検出されたガスの種類及び濃度を共に測定できる。

以下、添付された図面を参照して、本発明の一実施形態による炭素ナノチューブを利用したガスセンサー及び測定方法を詳細に説明する。なお、本発明の理解を容易なものとするために、図面に示す層や領域の厚さは、明確性のために誇張されて示されている。

まず、本発明の一実施形態に係る炭素ナノチューブを利用したガスセンサーについて説明する。

図１は、本実施形態に係る炭素ナノチューブを利用したガスセンサーの概略的な構成図である。

図１に示すように、真空チャンバ１０内に本発明に係るガスセンサー２０が配置されている。真空チャンバ１０の底部には、シリコン基板２１が配置されている。前記シリコン基板２１上に絶縁層２２、例えば、シリコン酸化物が形成されている。前記絶縁層２２上には、相互に離隔された二つの電極２３が形成されている。一の電極２３と他の電極２３との間には、炭素ナノチューブ２４が形成されている。炭素ナノチューブ２４は、一の電極２３と他の電極２３とを連結している。炭素ナノチューブ２４は、絶縁層２２上に形成された触媒金属（図示せず）から不規則に成長して電極２３を通電させるネットワーク炭素ナノチューブ２４であることができる。ガスセンサー２０は、真空チャンバ１０の底部に着脱可能に構成されている。

真空チャンバ１０において、炭素ナノチューブ２４の上側には、光源４０、例えば、電球、ダイオードなどが設置される。この光源４０は、炭素ナノチューブ２４の電子を励起して、炭素ナノチューブ２４から電子ホール対を生成して放出させて、炭素ナノチューブ２４に流れる電流を変化させる。電極２３には、電流計３０が連結され、電流計３０によって炭素ナノチューブ２４に流れる電流が測定される。

真空チャンバ１０には、ガスの注入口１１及び排出口１２が設置されている。真空チャンバ１０を、未知のガスが充填された空間に入れれば、注入口１１を通じてガスが真空チャンバ１０に入って、排出口１２を通じて真空チャンバ１０から排出される。これにより、真空チャンバ１０内には、未知のガスが平衡をなし、ガスセンサー２０は、このときのガスの種類及び濃度を共に測定する。

図２〜図４は、本発明のガスセンサー２０を使用して、真空チャンバ１０内に注入されたガスの種類及び濃度を測定するためのデータベースを作成する方法を説明する図である。

まず、図２に示すように、陽電極２３に所定の電圧、例えば、５Ｖの電圧を印加した状態で、真空チャンバ１０内の圧力を真空、１０ｍＴｏｒｒ、１００ｍＴｏｒｒ、５００ｍＴｏｒｒ、１Ｔｏｒｒ、１０Ｔｏｒｒにして水素（Ｈ_２）ガスを注入口１１に注入する。注入されたＨ_２ガスの量（真空チャンバ１０内の圧力）によって、電流計３０で測定された炭素ナノチューブ２４を通じて流れる電流の大きさが変化する。すなわち、Ｈ_２濃度の上昇によって測定された電流（このときの電流値を「Ｉ_ｄａｒｋという）の値が大きくなる。

一方、基板２１から１５ｃｍ離隔された光源４０、例えば、ハロゲンランプを使用して基板２１に７ｍＷ／ｍｍ^２の光を２１０秒間照射させる間に電流（このときの電流値を「Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}」という）は上昇する。次に、光源４０をオフにすれば、再びＩ_ｄａｒｋが測定される。Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}は、Ｈ_２の濃度が低いほど（ガス圧力が低いほど）上昇するということが分かる。図２において、“ｏｎ”及び“ｏｆｆ”は、それぞれ光源４０のオン及びオフを示す。

図３は、Ｈ_２、Ｏ_２、ＮＨ_３ガスの量（ガス圧力）によるノーマルＩ_ｄａｒｋをフローティングしたグラフである。ノーマルＩ_ｄａｒｋとは、Ｉ_ｄａｒｋを真空で測定したＩ_ｄａｒｋで除した値である。したがって、真空におけるノーマルＩ_ｄａｒｋは、１となる。

図３に示すように、Ｈ_２及びＯ_２の場合、真空状態からガス圧力が上昇するにつれて、ノーマルＩ_ｄａｒｋが上昇する。一方、ＮＨ_３ガスは、真空状態からガスの圧力が上昇するにつれて、ノーマルＩ_ｄａｒｋが低下するということが分かる。

図４は、Ｈ_２、Ｏ_２、ＮＨ_３ガスの濃度（ガス圧力）によるＩ_ｐｅａｋ／Ｉ_ｄａｒｋをフローティングしたグラフである。ここで、Ｉ_ｐｅａｋは、Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}のピーク値を示す。

図４に示すように、ガスの種類によってＩ_ｐｅａｋ／Ｉ_ｄａｒｋ値が異なるということが分かる。

図２ないし図４の方法を使用すれば、少なくとも３つ以上のガスに対してノーマルＩ_ｄａｒｋ及びノーマルＩ_ｐｅａｋ／Ｉ_ｄａｒｋのデータベースを作成することができる。

図５は、本実施形態に係るガスの種類及び濃度を測定する方法を説明するフローチャートである。

図５に示すように、まず、未知のガスが充填されているチャンバ（図示せず）に、本発明のガスセンサー２０を備えた真空チャンバ１０の注入口１１を開放して、真空チャンバ１０内に前記ガスを充填させる（ステップ１０１）。

次に、電極２３に所定の電圧を印加して、Ｉ_ｄａｒｋを測定する（ステップ１０２）。

次に、図２〜図４と共に説明した方法によるデータベースに基づいて、ステップ１０２で測定したＩ_ｄａｒｋに該当するガスを照会する（ステップ１０３）。図６Ａは、Ｈ_２、Ｏ_２、ＮＨ_３ガスのノーマルＩ_ｄａｒｋ値を示す。図６Ａによれば、測定されたノーマルＩ_ｄａｒｋ値が１．４である場合、矢印Ａと出合うガスは、Ｈ_２及びＯ_２であり、未知のガスがＨ_２ガスである場合、圧力は、１×１０^０Ｔｏｒｒであり、Ｏ_２ガスである場合、８×１０^−２Ｔｏｒｒである。

次に、光源４０に所定時間電圧を印加して、光源４０で炭素ナノチューブ２４が形成された基板２１を照射しつつ、Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}を測定する（ステップ１０４）。

次に、Ｉ_ｐｅａｋ／Ｉ_ｄａｒｋを計算し、これに該当するガスを前記データベースから照会する（ステップ１０５）。

図６Ｂは、Ｉ_ｐｅａｋ／Ｉ_ｄａｒｋを示す。図６Ｂによれば、計算されたＩ_ｐｅａｋ／Ｉ_ｄａｒｋ値が２．１である場合、矢印Ｂと出合うガスは、Ｈ_２及びＮＨ_３であり、未知のガスがＨ_２ガスである場合、圧力は、１×１０^０Ｔｏｒｒであり、ＮＨ_３ガスの場合、約１×１０^−１Ｔｏｒｒである。

ステップ１０３で選定されたガス及び圧力と、ステップ１０５で選定されたガス及び圧力とを比較して、一致するガスの種類及び圧力を前記未知のガスの種類及び濃度と決定する（ステップ１０６）。今回の例では、前記ガスは、Ｈ_２ガスであり、その圧力は、１Ｔｏｒｒである。前記圧力を換算すれば、真空チャンバ１０内のＨ_２ガスの濃度が分かる。

本発明は、図面を参照して実施形態を参考として説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な実施形態が可能であるという点が理解できるであろう。したがって、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって決定されなければならない。

本発明は、ガスセンサーに関連した技術分野に好適に適用される。

本発明の望ましい実施形態に係る炭素ナノチューブを利用したガスセンサーの概略的な構成図である。 本発明のガスセンサーを使用してＨ_２ガスに対して炭素ナノチューブに流れる電流をフローティングしたグラフである。 ガス圧力によるノーマルＩ_ｄａｒｋ電流をフローティングしたグラフである。 ガス圧力によるＩ_ｐｅａｋ／Ｉ_ｄａｒｋをフローティングしたグラフである。 本発明の実施形態に係るガスの種類及び濃度を測定する方法を説明するフローチャートである。 本発明のガスセンサーで未知のガスの種類及び濃度を測定する方法を説明するグラフである。 本発明のガスセンサーで未知のガスの種類及び濃度を測定する方法を説明するグラフである。

符号の説明

１０ 真空チャンバ、
１１ 注入口、
１２ 排出口、
２０ ガスセンサー、
２１ シリコン基板、
２２ 絶縁層、
２３ 電極、
２４ 炭素ナノチューブ、
３０ 電流計、
４０ 光源。

Claims (8)

1. 基板上に離隔されて形成された第１電極及び第２電極と、
   前記基板上で前記第１電極と前記第２電極とを連結する炭素ナノチューブと、
   前記炭素ナノチューブの上側に設置された光源と、
   前記第１電極と前記第２電極との間の電流を測定する電流計と、
   を備えることを特徴とする炭素ナノチューブを利用したガスセンサー。
2. 前記炭素ナノチューブは、前記基板上に形成された触媒から成長され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に連結することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサー。
3. 前記基板の底部に着脱可能な真空チャンバをさらに備え、
   前記光源は、前記真空チャンバの上部に設置され、
   前記真空チャンバの一側にガス注入口が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサー。
4. 前記ガスセンサーは、未知のガスの種類及び濃度をそれぞれ測定することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサー。
5. 基板上に離隔されて形成された第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極を連結する炭素ナノチューブと、前記炭素ナノチューブの上側に設置された光源と、前記炭素ナノチューブに流れる電流を測定する電流計と、を備えるガスセンサーを利用して未知のガスの種類及びその濃度を測定する方法において、
   前記第１電極及び前記第２電極に所定の電圧を印加して、前記炭素ナノチューブに流れる第１電流（Ｉ_ｄａｒｋ）を測定する第１ステップと、
   予め作成したデータベースを照会して、前記測定した第１電流（Ｉ_ｄａｒｋ）に対応するガスの種類及び圧力を決定する第２ステップと、
   前記光源に所定時間電圧を印加しながら、前記炭素ナノチューブを流れる第２電流（Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}）を測定する第３ステップと、
   前記データベースを照会して、前記測定した前記第２電流（Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}）に対応するガスの種類及び圧力を決定する第４ステップと、
   前記第２ステップで決定したガスの種類及び圧力と、前記第４ステップで決定したガスの種類及び圧力とを比較して、前記第２ステップで決定したガスの種類及び圧力と、前記第４ステップで決定したガスの種類及び圧力との対応関係から前記未知のガスの種類及び濃度を決定する第５ステップと、
   を含むことを特徴とする炭素ナノチューブを利用したガスセンサーで未知のガスの種類及びその濃度を測定する方法。
6. 前記第１ステップは、
   前記ガスセンサーを備える真空チャンバ内に前記未知のガスを充填させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の測定方法。
7. 前記第３ステップは、
   前記第２電流のピーク値（Ｉ_ｐｅａｋ）を求めるステップと、
   前記第２電流ピーク値（Ｉ_ｐｅａｋ）を前記第１電流（Ｉ_ｄａｒｋ）で除した値（Ｉ_ｐｅａｋ／Ｉ_ｄａｒｋ）を算出するステップと、をさらに含み、
   前記第４ステップは、前記算出した値（Ｉ_ｐｅａｋ／Ｉ_ｄａｒｋ）に対応するガスを前記データベースで照会するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の測定方法。
8. 前記データベースは、複数のガスに対してそれぞれのガスの濃度による前記第１電流と（Ｉ_ｄａｒｋ）前記第２電流と（Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}）を測定したデータベースであることを特徴とする請求項４に記載の測定方法。

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