JP2017106886A - 気体センサ及びその製作方法 - Google Patents

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育萱 廖
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家宏 李
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群賢 蔡
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群栄 蔡
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Abstract

【課題】本発明は、周知における気体センサのセンサアレイの構造が複雑で、半導体の製造工程を用いることにより製造時に甚大な時間と比較的高いコストとが必要という問題を解決することにある。
【解決手段】本発明は、基板と、加熱層と、絶縁層と、配列する複数の検出ユニットとを包含する気体センサであって、前記加熱層は、前記基板上に設置し、前記絶縁層は、前記加熱層上に設置し、前記検出ユニットは、前記絶縁層上に設置し、前記検出ユニットは、検出電極と、仕切り部と、反応感知フィルムとを包括し、前記仕切り部は、上に向かって延在する複数の仕切り壁を包括し、前記仕切り壁は、前記検出電極を囲繞して収容空間を形成し、前記反応感知フィルムは、被検気体と接触すると、電気化学反応が発生し、前記検出電極が被検気体に対応する識別信号を発生している。
【選択図】図２

Description

本発明は、気体センサ、特に製造コストが低く且つ簡易的な製造工程でできる気体センサに関するものである。
気体センサは、気体の物理的或いは化学的性質を検出するデバイスであって、医療、工業、テクノロジー環境保護等の様々な分野において幅広く応用されている。
例えば、特許文献１のような、肺炎を早期に検出し且つその種類を識別することが可能な呼吸器は、吹込み管路及び気体識別デバイスを包括し、前記気体識別デバイスは、気体識別チップを利用して患者が吹込み管路から吐出された混合気体を分析することで、患者が罹患した肺炎の種類を識別し、前記気体識別チップは、センサアレイ、センサインターフェイス回路、確率的ニューラルネットワークチップ、メモリ及びマイクロコントローラを包含し、前記マイクロコントローラは、前記センサインターフェイス回路と、前記確率的ニューラルネットワークチップと、前記メモリとを接続してその作動を制御している。これにより、肺炎を早期に検出し且つその種類を識別することで、より有効的な治療を提供することができる。
このような周知技術では、半導体の製造工程を用いてセンサアレイの製造が行われているが、通常、このようなセンサアレイの構造は複雑で、半導体の製造工程による製造コストも高いことから、このような気体センサを商用に広めることは不利である。
台湾特許公告第Ｉ４５８４６４号
本発明の主な目的は、周知における気体センサのセンサアレイの構造が複雑で、半導体の製造工程を用いることにより製造時に甚大な時間と比較的高いコストとが必要という問題を解決することにある。
上述した目的を達成するため、本発明は、基板と、前記基板上に設置する加熱層と、前記加熱層上に設置する絶縁層と、前記絶縁層上に配列するように設置する複数の検出ユニットとを包含する気体センサを提供し、前記検出ユニットは、検出電極と、前記検出電極を囲繞する仕切り部と、反応感知フィルムとを包括し、前記検出電極は、第一帯状電極と前記第一帯状電極から延在する第一指状電極とを包括する第一電極と、第二帯状電極と前記第二帯状電極から延在する第二指状電極とを包括する第二電極と、を包括し、且つ前記第一指状電極と前記第二指状電極とが交互に配列し合い、前記反応感知フィルムは、前記仕切り部内にある収容空間に設置し且つ前記検出電極と接触し、さらに、被検気体と接触して電気化学反応が起こることで、前記検出電極が被検気体に対応する識別信号を発生させている。
また、上述した目的を達成するため、本発明は、基板を提供する工程と、加熱層を前記基板上に形成する工程と、絶縁層を前記加熱層上に形成する工程と、第一帯状電極と前記第一帯状電極から延在する第一指状電極とを包括する第一電極と、第二帯状電極と前記第二帯状電極から延在する第二指状電極とを包括する第二電極と、を包括し、且つ前記第一指状電極と前記第二指状電極とが交互に配列し合う少なくとも一つの検出電極を前記絶縁層上に形成する工程と、前記検出電極を囲繞し、且つ前記検出電極上に収容空間を形成する仕切り部を前記絶縁層上に形成する工程と、高分子材料を前記仕切り部内にある前記収容空間に充填して反応感知フィルムを形成し、気体センサを得る工程とを包含する気体センサの製作方法を提供している。
以上のことから、周知技術と比較して本発明が得られる効果というと、本発明で得られた前記気体センサは、比較的に構造が簡易的で、製造し易く、半導体の設備や製造工程を必要としないことから、低コストで大量生産に適していることにある。
本発明に係る実施例の気体センサを示す平面図である。 図１に係るＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る実施例の検出電極を示す模式図である。 本発明に係る実施例の製作の流れを示す模式図である。 本発明に係る実施例の製作の流れを示す模式図である。 本発明に係る実施例の製作の流れを示す模式図である。 本発明に係る実施例の製作の流れを示す模式図である。
本発明の詳細な説明及び技術的内容について、図面を参照しつつ以下において説明する。
本発明に係る実施例の気体センサを示す平面図である図１、図１に係るＡ−Ａ線断面図である図２、本発明に係る実施例の検出電極を示す模式図である図３を参照すると、本発明は、基板１０と、加熱層２０と、絶縁層３０と、配列する複数の検出ユニット４０とを包含する気体センサ１であって、前記加熱層２０は、前記基板１０上に設置し、前記基板１０の材料は、ガラス、酸化インジウムスズ或いはポリエチレンテレフタレート（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ，ＰＥＴ）としている。前記加熱層２０の材料は、室温より高い温度まで加熱することが可能なものとし、本発明の実施例では、前記加熱層２０の材料は、酸化インジウムスズとし、電流を受け入れて３０℃から７０℃の間に介する温度まで加熱することが好ましい。前記絶縁層３０は、前記加熱層２０上に設置し、そのうち、前記絶縁層３０の材料は、ポリエチレンテレフタレートとしている。
前記検出ユニット４０は、前記絶縁層３０上に設置し、且つアレイ状或いはパターン状を呈し、本実施例では、前記検出ユニット４０は、８×４のアレイ状を用い、互いの間隔が１００μｍであることが好ましい。前記検出ユニット４０は、少なくとも一つの検出電極４０１と、仕切り部４０２と、反応感知フィルム４０３とを包括し、本発明において、前記反応感知フィルム４０３の材料は、カルボキシメチルセルロースアンモニウム塩（ＣＭＣ−ＮＨ４）、ポリスチレン（Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ，ＰＳ）、ポリエチレンアジペート（Ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ａｄｉｐａｔｅ））、ポリエチレンオキシド（Ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｏｘｉｄｅ），ＰＥＯ）、ポリカプロラクトン（Ｐｏｌｙｃａｐｒｏｌａｃｔｏｎｅ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリビニルベンジルクロライド（Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌｂｅｎｚｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ），ＰＶＢＣ）、メチルビニルエーテル−無水マレイン酸交互共重合体（Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ｖｉｎｙｌ ｅｔｈｅｒ−ａｌｔ−ｍａｌｅｉｃ ａｃｉｄｅ））、ビニルフェノール−メタクリル酸メチル共重合体（Ｐｏｌｙ（４−ｖｉｎｙｌｐｈｅｎｏｌ−ｃｏ−ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ））、エチルセルロース（Ｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ，ＥＣ）、塩化ビニリデン−アクリロニトリル共重合体（Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｃｈｌｏｒｉｄｅ−ｃｏ−ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ），ＰＶｄｃＡＮ）、ポリエピクロロヒドリン（Ｐｏｌｙｅｐｉｃｈｌｏｒｏｈｙｄｒｉｎ，ＰＥＣＨ）、ポリエチレンイミン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｉｍｉｎｅ）、ペプチド（Ｂｅｔａ−Ａｍｙｌｏｉｄ（１−４０））、ヒトガレクチン（Ｈｕｍａｎ ｇａｌｅｃｔｉｎ−１又はＨｕｍａｎ ａｌｂｕｍｉｎ）、スチレン−アリルアルコール共重合体（Ｓｔｙｒｅｎｅ／Ａｌｌｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ，ＳＡＡ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（Ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ−ｃｏ−ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ））、ポリイソブチレン（Ｐｏｌｙｉｓｏｂｕｔｙｌｅｎｅ，ＰＩＢ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体（Ｐｏｌｙ（ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ−ｃｏ−ｂｕｔａｄｉｅｎｅ））、ポリ（４−ビニルピリジン）Ｐｏｌｙ（４−ｖｉｎｙｌｐｙｒｉｄｉｎｅ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（Ｈｙｄｒｏｘｙｐｒｏｐｙｌ ｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ポリイソプレン（Ｐｏｌｙｉｓｏｐｒｅｎｅ）、ポリαメチルスチレン（Ｐｏｌｙ（ａｌｐｈａ−ｍｅｔｈｙｌｓｔｙｒｅｎｅ））、３−クロロ−１，２−プロピレンオキサイド − エチレンオキサイド共重合体（Ｐｏｌｙ（ｅｐｉｃｈｌｏｒｏｈｙｄｒｉｎ−ｃｏ−ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ））、ポリビニルブチラール（Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ ｂｕｔｙｒａｌ−ｃｏ−ｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ−ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ））、ポリスチレン（Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ，ＰＳ）、リグニンスルホン酸塩（Ｌｉｇｎｉｎ）、リポペプチド（Ａｃｙｌｐｅｐｔｉｄｅ）、ポリプロピオン酸ビニル（Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ ｐｒｏｐｌｏｎａｔｅ））、ポリビニルピロリドン（Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ），ＰＶＰ）、ダイマー酸−アルキルポリアミン共重合体（Ｐｏｌｙ（ｄｉｍｅｒ ａｃｉｄ−ｃｏ−ａｌｋｙｌ ｐｏｌｙａｍｉｎｅ））、ポリ（４−ビニルフェノール）（Ｐｏｌｙ（４−ｖｉｎｙｌｐｈｅｎｏｌ）、ポリヒドロキシエチルメタクリレート（Ｐｏｌｙ（２−ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ））、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体（Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ−ｃｏ−ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ））、セルローストリアセテート（Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｔｒｉａｃｅｔａｔｅ）、ポリ（ステアリン酸ビニル）（Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ ｓｔｅａｒａｔｅ））、ポリビスフェノールＡカーボネート（Ｐｏｌｙ（ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ ｃａｒｂｏｎａｔｅ），ＰＣ）、ポリフッ化ビニリデン（Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ），ＰＶＤＦ）或いはこれ等の組合せとしている。本実施例において、各前記検出ユニット４０における前記検出電極４０１の数量は、４つとし、互いの間隔が３０μｍであることが好ましく、これにより、前記検出電極４０１の数量は、１２８個に達することができるが、これに限定するものではない。
図３のように、前記検出電極４０１は、第一帯状電極４０１１ａと第一指状電極４０１１ｂとを包括する第一電極４０１１と、第二帯状電極４０１２ａと第二指状電極４０１２ｂとを包括する第二電極４０１２と、を包括し、前記第一帯状電極４０１１ａ及び前記第二帯状電極４０１２ａは、第一軸方向に沿って延在し且つ平行に設置し、前記第一指状電極４０１１ｂは、第二軸方向に沿って前記第一帯状電極４０１１ａから前記第二帯状電極４０１２ａに向かって延在し、前記第二指状電極４０１２ｂは、前記第二軸方向に沿って前記第二帯状電極４０１２ａから前記第一帯状電極４０１１ａに向かって延在し、前記第一指状電極４０１１ｂ及び前記第二指状電極４０１２ｂは、平行を呈し且つ交互に配列し合っている。前記第一軸方向と前記第二軸方向とは、互いに異なる方向を向いており、本実施例では、前記第一軸方向と前記第二軸方向とは互いに垂直となっている。そのうち、前記検出電極４０１の材料は、インジウムスズ酸化物、銅、ニッケル、クロム、鉄、タングステン、リン、コバルト、銀或いはこれ等の組合せのいずれかとしている。また、前記仕切り部４０２は、前記絶縁層３０から離れ且つ上に向かって延在する複数の仕切り壁４０２１を包括し、前記仕切り壁４０２１は、前記検出電極４０１を囲繞して収容空間４０２２を形成している。前記反応感知フィルム４０３は、前記仕切り部４０２内にある収容空間４０２２に設置し且つ前記検出電極４０１と接触している。実際に応用する際、前記反応感知フィルム４０３は、被検気体と接触して電気化学反応が起こることで、前記検出電極４０１が被検気体に対応する識別信号を発生させている。
続いて、本発明に係る実施例の製作の流れを示す模式図である図４Ａ乃至図４Ｄを参照すると、本発明は、以下のような工程を包含する気体センサの製作方法をさらに提供している。
まず、図４Ａをのように、基板１０を提供し、加熱層２０を前記基板１０上に形成し、そのうち、前記基板１０の材料は、ガラス、酸化インジウムスズ、ポリエチレンテレフタレート或いはこれ等の組合せのいずれかとし、前記加熱層２０は、電流を受け入れて３０℃から７０℃の間に介する温度まで加熱し、前記加熱層２０の材料は、酸化インジウムスズとしている。
次に、図４Ｂのように、絶縁層３０を前記加熱層２０上に形成し、そのうち、前記絶縁層３０の材料は、ポリエチレンテレフタレートとしている。
その後、図４Ｃのように、第一帯状電極４０１１ａと第一指状電極４０１１ｂとを包括する第一電極４０１１と、第二帯状電極４０１２ａと第二指状電極４０１２ｂとを包括する第二電極４０１２と、を包括し、前記第一帯状電極４０１１ａ及び前記第二帯状電極４０１２ａは、第一軸方向に沿って延在し且つ平行に設置し、前記第一指状電極４０１１ｂは、第二軸方向に沿って前記第一帯状電極４０１１ａから前記第二帯状電極４０１２ａに向かって延在し、前記第二指状電極４０１２ｂは、前記第二軸方向に沿って前記第二帯状電極４０１２ａから前記第一帯状電極４０１１ａに向かって延在し、前記第一指状電極４０１１ｂ及び前記第二指状電極４０１２ｂは、平行を呈し且つ交互に配列し合う少なくとも一つの検出電極４０１を前記絶縁層３０上に形成している。前記第一軸方向と前記第二軸方向とは、互いに異なる方向を向いており、本実施例では、前記第一軸方向と前記第二軸方向とは互いに垂直となっている。そのうち、前記検出電極４０１の材料は、インジウムスズ酸化物、銅、ニッケル、クロム、鉄、タングステン、リン、コバルト、銀或いはこれ等の組合せのいずれかとしている。
前記検出電極４０１が形成するのを待った後、仕切り部４０２を前記絶縁層３０上に形成し、前記検出電極４０１を囲繞し、さらに、前記絶縁層３０から離れ且つ上に向かって延在する複数の仕切り壁４０２１を包括し、前記仕切り壁４０２１は、前記検出電極４０１を囲繞して収容空間４０２２を形成している。
最後に、図４Ｄのように、高分子材料を前記仕切り部４０２内にある前記収容空間４０２２に充填して、前記検出電極４０１と接触する反応感知フィルム４０３を形成している。
以上のことから、本発明の方法によって得られた前記気体センサは、構造が簡易的という利点を有し、また、上述した工程はいずれも、例えばロールツーロール（Ｒｏｌｌ ｔｏ Ｒｏｌｌ）法といった圧膜加工が可能で、半導体の製造工程或いは薄膜技術を必要としないことから、製造し易く且つ低コストで、大量生産に適している。
以上において、本発明に係る詳細な説明を行ったが、上述したものは、本発明に係る好ましい実施例に過ぎず、本発明に係る実施の範囲を限定するものではなく、本発明に係る請求の範囲に基づいて行われたいずれの変更及び修正は、本発明に係る請求の範囲に属するものである。
１ 気体センサ
１０ 基板
２０ 加熱層
３０ 絶縁層
４０ 検出ユニット
４０１ 検出電極
４０１１ 第一電極
４０１１ａ 第一帯状電極
４０１１ｂ 第一指状電極
４０１２ 第二電極
４０１２ａ 第二帯状電極
４０１２ｂ 第二指状電極
４０２ 仕切り部
４０２１ 仕切り壁
４０２２ 収容空間
４０３ 反応感知フィルム

Claims (16)

  1. 基板と、
    前記基板上に設置する加熱層と、
    前記加熱層上に設置する絶縁層と、
    第一帯状電極と前記第一帯状電極から延在する第一指状電極とを包括する第一電極と、第二帯状電極と前記第二帯状電極から延在する第二指状電極とを包括する第二電極と、を含み且つ前記第一指状電極と前記第二指状電極とが交互に配列し合う少なくとも一つの検出電極と、前記検出電極を囲繞する仕切り部と、前記仕切り部内にある収容空間に設置し且つ前記検出電極と接触する反応感知フィルムとを包括し、前記絶縁層上に配列するように設置する複数の検出ユニットと、
    を包含し、
    前記反応感知フィルムは、被検気体と接触して電気化学反応が起こることで、前記検出電極が被検気体に対応する識別信号を発生することを特徴とする気体センサ。
  2. 前記基板の材料は、ガラス、酸化インジウムスズ及びポリエチレンテレフタレートからなる群のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の気体センサ。
  3. 前記加熱層は、電流を受け入れて３０℃から７０℃の間に介する温度まで加熱することを特徴とする請求項１に記載の気体センサ。
  4. 前記加熱層の材料は、酸化インジウムスズであることを特徴とする請求項１に記載の気体センサ。
  5. 前記絶縁層の材料は、ポリエチレンテレフタレートであることを特徴とする請求項１に記載の気体センサ。
  6. 前記検出電極の材料は、インジウムスズ酸化物、銅、ニッケル、クロム、鉄、タングステン、リン、コバルト及び銀からなる群のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の気体センサ。
  7. 前記仕切り部は、前記絶縁層から離れ且つ上に向かって延在する複数の仕切り壁を包括し、前記仕切り壁は、収容空間を囲繞することを特徴とする請求項１に記載の気体センサ。
  8. 前記検出電極の前記第一帯状電極及び前記第二帯状電極は、第一軸方向に沿って延在し且つ平行に設置し、前記第一指状電極は、前記第一軸方向と異なる第二軸方向に沿って前記第一帯状電極から前記第二帯状電極に向かって延在し、前記第二指状電極は、前記第二軸方向に沿って前記第二帯状電極から前記第一帯状電極に向かって延在し、前記第一指状電極及び前記第二指状電極は、平行を呈して配列するように設置することを特徴とする請求項１に記載の気体センサ。
  9. 基板を提供する工程と、
    加熱層を前記基板上に形成する工程と、
    絶縁層を前記加熱層上に形成する工程と、
    第一帯状電極と前記第一帯状電極から延在する第一指状電極とを包括する第一電極と、第二帯状電極と前記第二帯状電極から延在する第二指状電極とを包括する第二電極と、を含み且つ前記第一指状電極と前記第二指状電極とが交互に配列し合う少なくとも一つの検出電極を前記絶縁層上に形成する工程と、
    前記検出電極を囲繞し、且つ前記検出電極上に収容空間を形成する仕切り部を前記絶縁層上に形成する工程と、
    高分子材料を前記仕切り部内にある前記収容空間に充填して反応感知フィルムを形成し、気体センサを得る工程と、
    を包含することを特徴とする気体センサの製作方法。
  10. 前記基板の材料は、ガラス、酸化インジウムスズ及びポリエチレンテレフタレートからなる群のいずれかであることを特徴とする請求項９に記載の気体センサの製作方法。
  11. 前記加熱層は、電流を受け入れて３０℃から７０℃の間に介する温度まで加熱することを特徴とする請求項９に記載の気体センサの製作方法。
  12. 前記加熱層の材料は、酸化インジウムスズであることを特徴とする請求項９に記載の気体センサの製作方法。
  13. 前記絶縁層の材料は、ポリエチレンテレフタレートであることを特徴とする請求項９に記載の気体センサの製作方法。
  14. 前記検出電極の材料は、インジウムスズ酸化物、銅、ニッケル、クロム、鉄、タングステン、リン、コバルト及び銀からなる群のいずれかであることを特徴とする請求項９に記載の気体センサの製作方法。
  15. 前記仕切り部は、前記絶縁層から離れ且つ上に向かって延在する複数の仕切り壁を包括し、前記仕切り壁は、収容空間を囲繞することを特徴とする請求項９に記載の気体センサの製作方法。
  16. 前記検出電極の前記第一帯状電極及び前記第二帯状電極は、第一軸方向に沿って延在し且つ平行に設置し、前記第一指状電極は、前記第一軸方向と異なる第二軸方向に沿って前記第一帯状電極から前記第二帯状電極に向かって延在し、前記第二指状電極は、前記第二軸方向に沿って前記第二帯状電極から前記第一帯状電極に向かって延在し、前記第一指状電極及び前記第二指状電極は、平行を呈して配列するように設置することを特徴とする請求項９に記載の気体センサの製作方法。
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