JP2018169240A - Sensor manufacturing system, method for manufacturing sensor, and sensor - Google Patents

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Abstract

To provide a sensor in which the variation in the measured value is made smaller.SOLUTION: A sensor manufacturing system 100 includes: a film forming device 110 for forming, on a substrate, a graphite layer and a nano structure layer made of a plurality of carbon nano walls; and a laser emission device 120 for making the nano structure layer ablated while leaving the graphite layer by emitting a laser with a pulse width of less than 10seconds in a specific region of the nano structure layer. The thus obtained sensor has reduced noise and an improved S/N ratio.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、カーボンナノウォールを用いてセンサを製造するセンサ製造システム、センサ製造方法、および、センサに関する。   The present disclosure relates to a sensor manufacturing system, a sensor manufacturing method, and a sensor for manufacturing a sensor using carbon nanowalls.

カーボンナノウォール(Carbon Nano Wall:CNW)は、ナノメートルサイズ(数nmから数十nm程度)の微細形状を有するナノ構造体である(例えば、特許文献1)。カーボンナノウォールは、従来の材料が有する特性を飛躍的に向上させた特性を備えていたり、従来の材料にはない特性を備えていたりする。このため、カーボンナノウォールは、電磁波吸収材料、電池の電極材料、触媒材料、半導体材料、電子放出素子材料、光学材料、強度補強材料、センサ等の次世代の機能材料として期待されている。   A carbon nanowall (Carbon Nano Wall: CNW) is a nanostructure having a fine shape of nanometer size (several nm to several tens of nm) (for example, Patent Document 1). Carbon nanowalls have characteristics that dramatically improve the characteristics of conventional materials, or characteristics that are not found in conventional materials. Therefore, carbon nanowalls are expected as next-generation functional materials such as electromagnetic wave absorbing materials, battery electrode materials, catalyst materials, semiconductor materials, electron-emitting device materials, optical materials, strength reinforcing materials, and sensors.

例えば、非特許文献1には、多数のカーボンナノウォールを電極上に成膜させたバイオセンサが開示されている。   For example, Non-Patent Document 1 discloses a biosensor in which a number of carbon nanowalls are formed on an electrode.

特許第5987546号公報Japanese Patent No. 5987546

Shun Mao et al. SCIENTIFIC REPORTS 3: 1696 DOI: 10.1038/srep01696Shun Mao et al. SCIENTIFIC REPORTS 3: 1696 DOI: 10.1038 / srep01696

非特許文献1に記載された従来のセンサは、多数のカーボンナノウォールが電極に接触しているため、電流が流れる経路(パス)が複数形成される。したがって、従来のセンサは、測定値の振れ幅が大きいという問題がある。   In the conventional sensor described in Non-Patent Document 1, since a large number of carbon nanowalls are in contact with the electrodes, a plurality of paths through which current flows are formed. Therefore, the conventional sensor has a problem that the fluctuation range of the measured value is large.

本開示は、測定値の振れ幅を低減することが可能なセンサ製造システム、センサ製造方法、および、センサを提供することを目的としている。   An object of the present disclosure is to provide a sensor manufacturing system, a sensor manufacturing method, and a sensor capable of reducing a fluctuation range of a measurement value.

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るセンサ製造システムは、グラファイト層と、複数のカーボンナノウォールを含んで構成されるナノ構造層と、を基板に成膜する成膜装置と、前記ナノ構造層の所定の領域に、パルス幅が10−12秒未満のレーザーを照射して、前記グラファイト層を残存させつつ、前記ナノ構造層をアブレートさせるレーザー照射装置と、を備える。 In order to solve the above problems, a sensor manufacturing system according to one embodiment of the present disclosure includes a film formation apparatus that forms a graphite layer and a nanostructure layer including a plurality of carbon nanowalls on a substrate. And a laser irradiation apparatus for irradiating a predetermined region of the nanostructure layer with a laser having a pulse width of less than 10 −12 seconds to ablate the nanostructure layer while leaving the graphite layer.

また、前記成膜装置は、前記グラファイト層および前記カーボンナノウォールのいずれか一方、または、両方に金属をドープしてもよい。   Further, the film forming apparatus may dope a metal into one or both of the graphite layer and the carbon nanowall.

また、前記レーザー照射装置は、前記ナノ構造層における互いに離隔した2つの領域に前記レーザーを照射してもよい。   The laser irradiation apparatus may irradiate the laser on two regions of the nanostructure layer that are separated from each other.

また、前記レーザー照射装置は、ビームホモジナイザを有してもよい。   Further, the laser irradiation apparatus may include a beam homogenizer.

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るセンサ製造方法は、基板上にグラファイト層を成膜する工程と、前記グラファイト層上に、複数のカーボンナノウォールを含んで構成されるナノ構造層を成膜する工程と、前記ナノ構造層の所定の領域に、パルス幅が10−12秒未満のレーザーを照射して、前記グラファイト層を残存させつつ、前記ナノ構造層をアブレートさせる工程と、を含む。 In order to solve the above problem, a sensor manufacturing method according to an aspect of the present disclosure includes a step of forming a graphite layer on a substrate, and a nanostructure including a plurality of carbon nanowalls on the graphite layer. Forming a structural layer; and irradiating a predetermined region of the nanostructure layer with a laser having a pulse width of less than 10 −12 seconds to ablate the nanostructure layer while leaving the graphite layer remaining And including.

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るセンサは、基板と、前記基板上に設けられたグラファイト層と、前記グラファイト層における予め定められた領域に成膜された、複数のカーボンナノウォールを含んで構成されるナノ構造層と、を備える。   In order to solve the above problems, a sensor according to one embodiment of the present disclosure includes a substrate, a graphite layer provided on the substrate, and a plurality of carbons formed in a predetermined region of the graphite layer. A nanostructure layer including a nanowall.

測定値の振れ幅を低減することが可能となる。   It is possible to reduce the amplitude of the measured value.

センサ製造システムを説明する図である。It is a figure explaining a sensor manufacturing system. 成膜装置の具体的な構成を説明する図である。It is a figure explaining the specific structure of the film-forming apparatus. カーボンナノウォールを説明する図である。It is a figure explaining carbon nanowall. センサ製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the flow of a process of a sensor manufacturing method. センサ製造方法の各工程を説明する図である。It is a figure explaining each process of a sensor manufacturing method. センサ構造物を用いて製造されたセンサと、従来のセンサとを説明する図である。It is a figure explaining the sensor manufactured using the sensor structure, and the conventional sensor. 図7(a)は、実施例における基板からの高さを説明する第1の図である。図7(b)は、実施例における基板からの高さを説明する第2の図である。図7(c)は、実施例を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を示す画像である。図7(d)は、図7(c)におけるレーザー照射領域の部分拡大画像である。FIG. 7A is a first diagram illustrating the height from the substrate in the embodiment. FIG. 7B is a second diagram for explaining the height from the substrate in the embodiment. FIG.7 (c) is an image which shows the result of having observed the Example with the scanning electron microscope (SEM). FIG. 7D is a partially enlarged image of the laser irradiation region in FIG. 変形例のセンサを説明する図である。It is a figure explaining the sensor of a modification.

以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。   Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiment are merely examples for facilitating understanding, and do not limit the present disclosure unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same functions and configurations are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present disclosure are not illustrated. To do.

(センサ製造システム100)
図1は、センサ製造システム100を説明する図である。図1に示すように、センサ製造システム100は、成膜装置110と、レーザー照射装置120とを含んで構成される。成膜装置110は、基板上に、グラファイト層と、複数のカーボンナノウォールを含んで構成されるナノ構造層とを成膜する。
(Sensor manufacturing system 100)
FIG. 1 is a diagram for explaining a sensor manufacturing system 100. As shown in FIG. 1, the sensor manufacturing system 100 includes a film forming apparatus 110 and a laser irradiation apparatus 120. The film forming apparatus 110 forms a graphite layer and a nanostructure layer including a plurality of carbon nanowalls on a substrate.

図2は、成膜装置110の具体的な構成を説明する図である。図2に示すように、成膜装置110は、所謂プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置であり、チャンバ210と、基板ホルダ220と、ターゲット保持部230と、プラズマ銃240とを含んで構成される。   FIG. 2 is a diagram for explaining a specific configuration of the film forming apparatus 110. As shown in FIG. 2, the film forming apparatus 110 is a so-called plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus, and includes a chamber 210, a substrate holder 220, a target holding unit 230, and a plasma gun 240. .

チャンバ210には、ガス供給口212が形成されている。ガス供給口212を介して、チャンバ210の内部に反応ガスが供給される。反応ガスは、メタン(CH)等のカーボンナノウォールを形成することができるガスである。また、チャンバ210には、不図示の真空ポンプが接続されており、真空ポンプによって内部が所定の圧力に維持される。 A gas supply port 212 is formed in the chamber 210. A reactive gas is supplied into the chamber 210 through the gas supply port 212. The reaction gas is a gas that can form carbon nanowalls such as methane (CH 4 ). Further, a vacuum pump (not shown) is connected to the chamber 210, and the inside is maintained at a predetermined pressure by the vacuum pump.

基板ホルダ220は、チャンバ210内に配され、基板Sを保持する。基板Sは、例えばシリコン(Si)等の炭化物を形成しやすい元素を含んで構成される。   The substrate holder 220 is disposed in the chamber 210 and holds the substrate S. The substrate S includes an element that easily forms a carbide such as silicon (Si).

ターゲット保持部230は、チャンバ210内に配され、スパッタリングターゲットTを保持する。スパッタリングターゲットTは、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、カリウム(K)、カルシウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ルビジウム(Rb)、ストロンチウム(Sr)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、インジウム(In)、スズ(Sn)、セシウム(Cs)、バリウム(Ba)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、水銀(Hg)、タリウム(Tl)、鉛(Pb)、および、ビスマス(Bi)の群から選択される1の金属、または、複数の合金で構成される。また、ターゲット保持部230は、スパッタリングターゲットTに所定の周波数でパルス電流(DC)を流す。   The target holding unit 230 is disposed in the chamber 210 and holds the sputtering target T. The sputtering target T includes lithium (Li), beryllium (Be), sodium (Na), magnesium (Mg), aluminum (Al), potassium (K), calcium (Ca), scandium (Sc), titanium (Ti), Vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), rubidium (Rb), Strontium (Sr), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), cadmium (Cd), Indium (In), tin (Sn), cesium (Cs), barium (Ba), lanthanum (La), cerium (Ce) Praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), Ytterbium (Yb), lutetium (Lu), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), It is composed of one metal selected from the group consisting of mercury (Hg), thallium (Tl), lead (Pb), and bismuth (Bi), or a plurality of alloys. Further, the target holding unit 230 allows a pulse current (DC) to flow through the sputtering target T at a predetermined frequency.

プラズマ銃240は、チャンバ210内にプラズマ流PFを放出する。プラズマ銃240は、既存の様々な技術(例えば、特開2008−056546号公報)を利用できるので、ここでは、詳細な説明を省略する。プラズマ銃240がプラズマ流PFを放出することにより、プラズマ流PFを構成するプラズマが、反応ガスを分解するとともに、スパッタリングターゲットTに衝突する。そうすると、基板S上にグラファイト層が成膜され、グラファイト層上に複数のカーボンナノウォールが形成される。また、スパッタリングターゲットTを構成する原子が、スパッタリングターゲットTから放出され(スパッタ)、グラファイト層および複数のカーボンナノウォールのいずれか一方または両方にドープされる。   The plasma gun 240 emits a plasma flow PF into the chamber 210. Since the plasma gun 240 can use various existing technologies (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-056546), detailed description thereof is omitted here. When the plasma gun 240 releases the plasma flow PF, the plasma constituting the plasma flow PF decomposes the reaction gas and collides with the sputtering target T. As a result, a graphite layer is formed on the substrate S, and a plurality of carbon nanowalls are formed on the graphite layer. In addition, atoms constituting the sputtering target T are released from the sputtering target T (sputtering), and are doped into one or both of the graphite layer and the plurality of carbon nanowalls.

図3は、カーボンナノウォール(CNW)を説明する図である。なお、本実施形態の図3(b)、図3(d)では、垂直に交わるX軸、Y軸、Z軸を図示の通り定義している。カーボンナノウォールは、図3(a)に示すようなグラフェンシート(図3(a)中、炭素原子(C)を白丸で示す)が、図3(b)に示すように、基板Sの表面上から立設したもの(垂直状に成長したもの)である。カーボンナノウォールが基板S上に形成される際には、図3(c)、図3(d)に示すように、まず、基板Sの表面に、グラファイトの層(以下、「グラファイト層」と称する)が形成される。グラファイト層は、基板Sの表面の面内方向に沿って、基板Sの表面に形成される。例えば、グラファイト層は、基板Sの表面の面内方向に平行に、基板Sの表面に形成される。   FIG. 3 is a diagram for explaining a carbon nanowall (CNW). In FIGS. 3B and 3D of the present embodiment, the X axis, the Y axis, and the Z axis that intersect perpendicularly are defined as illustrated. The carbon nanowall is composed of a graphene sheet as shown in FIG. 3A (the carbon atom (C) is indicated by a white circle in FIG. 3A), and the surface of the substrate S as shown in FIG. It stands up from the top (growth vertically). When the carbon nanowall is formed on the substrate S, as shown in FIGS. 3C and 3D, first, a graphite layer (hereinafter referred to as “graphite layer”) is formed on the surface of the substrate S. Is formed). The graphite layer is formed on the surface of the substrate S along the in-plane direction of the surface of the substrate S. For example, the graphite layer is formed on the surface of the substrate S in parallel with the in-plane direction of the surface of the substrate S.

そして、カーボンナノウォールは、グラファイト層を介して、基板Sの表面に対して垂直方向(図3(b)、図3(d)中、Y軸方向)に延在(延伸)するように複数形成される。ここで、カーボンナノウォールにおける基板Sと平行な方向(図3(b)中、X軸方向)の厚みは、1nm以上100nm以下であり、カーボンナノウォール間の図3(b)中、X軸方向の距離も、1nm以上10μm以下である。   A plurality of carbon nanowalls extend (extend) through the graphite layer in a direction perpendicular to the surface of the substrate S (the Y-axis direction in FIGS. 3B and 3D). It is formed. Here, the thickness of the carbon nanowalls in the direction parallel to the substrate S (X-axis direction in FIG. 3B) is 1 nm or more and 100 nm or less, and the X-axis in FIG. 3B between the carbon nanowalls. The distance in the direction is also 1 nm or more and 10 μm or less.

なお、カーボンナノウォールは自己組織化機能を有しているため、成膜装置110において反応ガスの雰囲気中でプラズマを発生させるだけで、複数のカーボンナノウォールの間にナノメートルサイズの空隙を形成しながら、カーボンナノウォールが基板Sの表面に対して垂直方向(図3中、Y軸方向)に延伸するように成長する。ここで、ナノメートルサイズとは1nm以上10μm以下のことを示す。以下、複数のカーボンナノウォールを含んで構成された層をナノ構造層と称する。   Since carbon nanowalls have a self-organizing function, a nanometer-sized void is formed between a plurality of carbon nanowalls simply by generating plasma in the atmosphere of the reaction gas in the film forming apparatus 110. However, the carbon nanowall grows so as to extend in the direction perpendicular to the surface of the substrate S (the Y-axis direction in FIG. 3). Here, the nanometer size refers to 1 nm or more and 10 μm or less. Hereinafter, a layer including a plurality of carbon nanowalls is referred to as a nanostructure layer.

図1に戻って説明すると、レーザー照射装置120は、ナノ構造層の所定の領域に、パルス幅が10−12秒未満のレーザーを照射する。レーザー照射装置120は、例えば、パルス幅がフェムト秒(10−15秒)のレーザーや、パルス幅がアト秒(10−18秒)のレーザーを照射する。 Referring back to FIG. 1, the laser irradiation device 120 irradiates a predetermined region of the nanostructure layer with a laser having a pulse width of less than 10 −12 seconds. Laser irradiation device 120, for example, pulse width laser and femtosecond (10 -15 seconds), the pulse width is irradiated with a laser attosecond (10 -18 seconds).

レーザー照射装置120が照射するレーザーのエネルギー密度は、基板S上のグラファイト層を残存させつつ(壊すことなく)、ナノ構造層をアブレートさせるエネルギー密度である。エネルギー密度は、ナノ構造層の厚みに基づいて決定される。エネルギー密度は、例えば、5×1013W/cm以上である。なお、レーザー照射装置120が照射するレーザーの波長に限定はない。 The energy density of the laser irradiated by the laser irradiation device 120 is an energy density for ablating the nanostructure layer while leaving the graphite layer on the substrate S remaining (without breaking). The energy density is determined based on the thickness of the nanostructure layer. The energy density is, for example, 5 × 10 13 W / cm 2 or more. Note that there is no limitation on the wavelength of the laser irradiated by the laser irradiation device 120.

また、レーザー照射装置120は、ビームホモジナイザを含んで構成される。ビームホモジナイザは、レーザーのエネルギー分布を均質化する光学系である。ビームホモジナイザは、例えば、レンズアレイ、非球面レンズ、回折光学素子(Diffractive Optical Elements :DOE)を含んで構成される。なお、レンズアレイを含んで構成されたビームホモジナイザは、既存の様々な技術(例えば、特許第5446618号公報)を利用できるので、ここでは、詳細な説明を省略する。また、非球面レンズを含んで構成されたビームホモジナイザは、既存の様々な技術(例えば、特開2013−29748号公報)を利用できるので、ここでは、詳細な説明を省略する。また、回折光学素子を含んで構成されたビームホモジナイザは、既存の様々な技術(例えば、特開2008−69066号公報)を利用できるので、ここでは、詳細な説明を省略する。レーザー照射装置120がビームホモジナイザを備えることにより、レーザーの照射領域の平滑性を向上させることができる。   The laser irradiation device 120 includes a beam homogenizer. A beam homogenizer is an optical system that homogenizes the energy distribution of a laser. The beam homogenizer includes, for example, a lens array, an aspheric lens, and a diffractive optical element (DOE). Since the beam homogenizer configured to include the lens array can use various existing technologies (for example, Japanese Patent No. 5446618), detailed description thereof is omitted here. In addition, a beam homogenizer configured to include an aspheric lens can use various existing technologies (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2013-29748), and thus detailed description thereof is omitted here. A beam homogenizer configured to include a diffractive optical element can use various existing techniques (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-69066), and thus detailed description thereof is omitted here. When the laser irradiation device 120 includes a beam homogenizer, the smoothness of the laser irradiation region can be improved.

(センサ製造方法)
続いて、上記センサ製造システム100を用いたセンサ製造方法を説明する。図4は、センサ製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。図5は、センサ製造方法の各工程を説明する図である。なお、本実施形態の図5では、垂直に交わるX軸、Y軸、Z軸を図示の通り定義している。
(Sensor manufacturing method)
Subsequently, a sensor manufacturing method using the sensor manufacturing system 100 will be described. FIG. 4 is a flowchart for explaining the flow of processing of the sensor manufacturing method. FIG. 5 is a diagram for explaining each step of the sensor manufacturing method. In FIG. 5 of the present embodiment, the X axis, the Y axis, and the Z axis that intersect perpendicularly are defined as illustrated.

図4に示すように、本実施形態のセンサ製造方法は、第1成膜工程S110と、第2成膜工程S120と、レーザー照射工程S130とを含む。以下、第1成膜工程S110、第2成膜工程S120、レーザー照射工程S130の詳細について説明する。   As shown in FIG. 4, the sensor manufacturing method of the present embodiment includes a first film forming step S110, a second film forming step S120, and a laser irradiation step S130. Hereinafter, the details of the first film forming step S110, the second film forming step S120, and the laser irradiation step S130 will be described.

(第1成膜工程S110)
第1成膜工程S110は、成膜装置110を用いて、基板S上に、グラファイト層を成膜しつつ、グラファイト層に金属をドープする工程である。
(First film formation step S110)
The first film forming step S110 is a step of doping the graphite layer with a metal while forming the graphite layer on the substrate S using the film forming apparatus 110.

まず、基板Sを基板ホルダ220に保持させ、ガス供給口212を通じて反応ガスをチャンバ210内に供給する。そして、プラズマ銃240を駆動させ、これと同時に、ターゲット保持部230による、スパッタリングターゲットTへのパルス電流の供給を開始する。つまり、基板Sへのグラファイト層の成膜の開始と同時に、グラファイト層への金属のドープを行う。   First, the substrate S is held by the substrate holder 220, and the reaction gas is supplied into the chamber 210 through the gas supply port 212. Then, the plasma gun 240 is driven, and at the same time, supply of a pulse current to the sputtering target T by the target holding unit 230 is started. That is, simultaneously with the start of film formation of the graphite layer on the substrate S, the graphite layer is doped with metal.

そして、プラズマ銃240の駆動開始から第1所定時間経過した後に、スパッタリングターゲットTへのパルス電流の供給を停止する。なお、プラズマ銃240の駆動は継続させる。ここで、第1所定時間は、基板Sにグラファイト層が形成される時間であって、カーボンナノウォール(ナノ構造層)が形成されるまでの時間である。   Then, after the first predetermined time has elapsed from the start of driving of the plasma gun 240, the supply of the pulse current to the sputtering target T is stopped. The driving of the plasma gun 240 is continued. Here, the first predetermined time is a time for forming the graphite layer on the substrate S and a time until the carbon nanowall (nanostructure layer) is formed.

そうすると、図5(a)に示すように、基板S上に、金属がドープされたグラファイト層(以下、「下地層」と称する)310が成膜される。下地層310は、基板Sの表面の面内方向に沿って形成された層である。   Then, as shown in FIG. 5A, a graphite layer (hereinafter referred to as “underlayer”) 310 doped with metal is formed on the substrate S. The foundation layer 310 is a layer formed along the in-plane direction of the surface of the substrate S.

(第2成膜工程S120)
第2成膜工程S120は、成膜装置110を用いて、下地層310上にナノ構造層を成膜する工程である。
(Second film formation step S120)
The second film formation step S120 is a step of forming a nanostructure layer on the base layer 310 using the film formation apparatus 110.

具体的には、第1成膜工程S110の終了後、プラズマ銃240の駆動を第2所定時間維持する。ここで、第2所定時間は、センサとして利用可能な厚み(図5中、Y軸方向の高さ)のカーボンナノウォールが成膜される時間である。   Specifically, after the completion of the first film forming step S110, the driving of the plasma gun 240 is maintained for a second predetermined time. Here, the second predetermined time is a time during which a carbon nanowall having a thickness (the height in the Y-axis direction in FIG. 5) that can be used as a sensor is formed.

そうすると、図5(b)に示すように、下地層310の上にナノ構造層320が成膜されたセンサ材料330が製造される。なお、ナノ構造層320は、カーボンナノウォール322を複数含んで構成された層である。カーボンナノウォール322は、下地層310から、基板Sの表面(面内方向)に対して垂直方向(図5中、Y軸方向)に延在したものである。また、ナノ構造層320において、カーボンナノウォール322は、隣り合うカーボンナノウォール322との間に、ナノメートルサイズの間隙322aを維持して下地層310から延在している。   Then, as shown in FIG. 5B, the sensor material 330 in which the nanostructure layer 320 is formed on the underlayer 310 is manufactured. The nanostructure layer 320 is a layer including a plurality of carbon nanowalls 322. The carbon nanowall 322 extends from the base layer 310 in a direction (Y-axis direction in FIG. 5) perpendicular to the surface (in-plane direction) of the substrate S. In the nanostructure layer 320, the carbon nanowall 322 extends from the base layer 310 while maintaining a nanometer-size gap 322 a between the adjacent carbon nanowalls 322.

(レーザー照射工程S130)
レーザー照射工程S130は、レーザー照射装置120を用いて、ナノ構造層320の所定の領域に、パルス幅が10−12秒未満のレーザーを照射して、下地層310を残存させつつ、ナノ構造層320をアブレートさせる工程である。
(Laser irradiation step S130)
In the laser irradiation step S130, the laser irradiation apparatus 120 is used to irradiate a predetermined region of the nanostructure layer 320 with a laser having a pulse width of less than 10 −12 seconds to leave the base layer 310, and the nanostructure layer This is a step of ablating 320.

ここで、レーザー照射装置120は、ナノ構造層320における互いに離隔した2つの領域324A、324Bにレーザーを照射する。そうすると、レーザーが照射された領域324A、324Bは、基板S上に下地層310のみが残存した状態となる。   Here, the laser irradiation apparatus 120 irradiates two regions 324A and 324B spaced apart from each other in the nanostructure layer 320. Then, the regions 324A and 324B irradiated with the laser are in a state where only the base layer 310 remains on the substrate S.

こうして、基板Sと、基板S上に設けられた下地層310と、下地層310における予め定められた領域(領域324A、324B以外の領域)に成膜されたナノ構造層320と、を備えるセンサ構造物400が製造される。   Thus, a sensor including the substrate S, the base layer 310 provided on the substrate S, and the nanostructure layer 320 formed in a predetermined region (a region other than the regions 324A and 324B) in the base layer 310. A structure 400 is manufactured.

図6は、センサ構造物400を用いて製造されたセンサ500と、従来のセンサ10とを説明する図である。   FIG. 6 is a diagram illustrating the sensor 500 manufactured using the sensor structure 400 and the conventional sensor 10.

図6(a)に示すように、センサ構造物400における領域324A、324Bに金属ペースト410(例えば、金ペースト)が塗布される。そして、金属ペースト410同士が配線420で接続される。また、配線420に測定装置430が設けられる。測定装置430は、所定量の電流を流し、金属ペースト410間の電位差を測定する。つまり、領域324A、324Bは、電極として機能する。こうして、センサ構造物400と、金属ペースト410と、配線420と、測定装置430とを備えたセンサ500が製造される。   As shown in FIG. 6A, a metal paste 410 (for example, a gold paste) is applied to the regions 324A and 324B in the sensor structure 400. Then, the metal pastes 410 are connected to each other through the wiring 420. In addition, a measuring device 430 is provided on the wiring 420. The measuring device 430 measures a potential difference between the metal pastes 410 by passing a predetermined amount of current. That is, the regions 324A and 324B function as electrodes. Thus, the sensor 500 including the sensor structure 400, the metal paste 410, the wiring 420, and the measuring device 430 is manufactured.

ナノ構造層320を構成するカーボンナノウォール322は、その上部が物理的にも電気的にも接続されていない。一方、上記したように、基板Sとナノ構造層320(カーボンナノウォール322)との間には、下地層310が連続して形成される。したがって、カーボンナノウォール322同士は、その底部において下地層310(グラファイト層)によって物理的かつ電気的に連通している。   The upper part of the carbon nanowall 322 constituting the nanostructure layer 320 is not physically or electrically connected. On the other hand, as described above, the base layer 310 is continuously formed between the substrate S and the nanostructure layer 320 (carbon nanowall 322). Therefore, the carbon nanowalls 322 are physically and electrically communicated with each other through the base layer 310 (graphite layer) at the bottom thereof.

ナノ構造層320を構成するカーボンナノウォール322間には間隙322aが配される。間隙322aは、絶縁体である。このため、ナノ構造層320に何も付着していない場合(以下、「初期状態」と称する)、ナノ構造層320の抵抗値は極めて大きくなる。したがって、初期状態において、測定装置430によって金属ペースト410間を流れる電流は、ほとんど下地層310を通過する。   A gap 322 a is disposed between the carbon nanowalls 322 constituting the nanostructure layer 320. The gap 322a is an insulator. For this reason, when nothing is attached to the nanostructure layer 320 (hereinafter referred to as “initial state”), the resistance value of the nanostructure layer 320 becomes extremely large. Therefore, in the initial state, the current flowing between the metal pastes 410 by the measuring device 430 almost passes through the base layer 310.

一方、カーボンナノウォール322間に対象物Mが付着すると(以下、「付着状態」と称する)、カーボンナノウォール322同士が電気的に接続され(ナノ構造層320の電気的特性が変化し)、ナノ構造層320の抵抗値が低くなる。したがって、測定装置430によって金属ペースト410間を流れる電流は、下地層310およびカーボンナノウォール322を通過する。   On the other hand, when the object M adheres between the carbon nanowalls 322 (hereinafter referred to as “attachment state”), the carbon nanowalls 322 are electrically connected to each other (the electrical characteristics of the nanostructure layer 320 change), The resistance value of the nanostructure layer 320 is lowered. Therefore, the current flowing between the metal pastes 410 by the measuring device 430 passes through the base layer 310 and the carbon nanowall 322.

つまり、初期状態の電位差(電圧値)と、付着状態の電位差とは異なる。このため、測定装置430が測定した電位差を比較することで、対象物Mが付着したか否か、また、対象物Mが何であるかを推測することが可能となる。   That is, the potential difference (voltage value) in the initial state is different from the potential difference in the attached state. Therefore, by comparing the potential difference measured by the measuring device 430, it is possible to estimate whether or not the object M has adhered and what the object M is.

ここで、対象物Mは、例えば、水素やメタンといったガス、タンパク質等であり、センサ500は、ガスセンサやバイオセンサとして利用することができる。   Here, the object M is, for example, a gas such as hydrogen or methane, a protein, or the like, and the sensor 500 can be used as a gas sensor or a biosensor.

以上説明したように、センサ製造システム100およびセンサ製造方法は、レーザーを照射するだけで、ナノ構造層320の両側に、下地層310(グラファイト層)のみの領域324A、324Bを形成することができる。したがって、領域324A、324Bを電極として利用することで、初期状態において、電流が流れる主な経路を下地層310とすることが可能となる。   As described above, the sensor manufacturing system 100 and the sensor manufacturing method can form the regions 324A and 324B of only the underlayer 310 (graphite layer) on both sides of the nanostructure layer 320 only by irradiating the laser. . Therefore, by using the regions 324A and 324B as electrodes, the main path through which current flows in the initial state can be the base layer 310.

一方、図6(b)に示す従来のセンサ10は、ナノ構造層320上に金属ペースト410が塗布される。したがって、従来のセンサ10では、初期状態において金属ペースト410間を流れる電流は、カーボンナノウォール322、下地層310、カーボンナノウォール322を通過する。ここで、従来のセンサ10において、金属ペースト410と接触するカーボンナノウォール322は複数ある。このため、電流が流れるカーボンナノウォール322の数や、流れる経路が安定しない。したがって、従来のセンサ10は、測定装置430によって測定される測定値の振れ幅が大きくなってしまう。つまり、従来のセンサ10は、測定値のノイズが大きくなり、SN比(signal to noise ratio)が低くなるという問題がある。   On the other hand, in the conventional sensor 10 shown in FIG. 6B, a metal paste 410 is applied on the nanostructure layer 320. Therefore, in the conventional sensor 10, the current flowing between the metal pastes 410 in the initial state passes through the carbon nanowall 322, the base layer 310, and the carbon nanowall 322. Here, in the conventional sensor 10, there are a plurality of carbon nanowalls 322 in contact with the metal paste 410. For this reason, the number of carbon nanowalls 322 in which current flows and the flow path are not stable. Therefore, in the conventional sensor 10, the fluctuation range of the measured value measured by the measuring device 430 becomes large. That is, the conventional sensor 10 has a problem that the noise of the measurement value increases and the signal-to-noise ratio (SNR) decreases.

しかし、本実施形態のセンサ500は、上記したように、初期状態において、測定装置430によって金属ペースト410間を流れる電流は、ほとんど下地層310を通過する。つまり、金属ペースト410間を流れる電流は、カーボンナノウォール322を通過しない。したがって、センサ500は、測定装置430によって測定される測定値の振れ幅を小さくすることができる。これにより、センサ500は、測定値のノイズを低減することができ、SN比を向上することが可能となる。   However, as described above, in the sensor 500 of the present embodiment, in the initial state, the current flowing between the metal pastes 410 by the measuring device 430 almost passes through the base layer 310. That is, the current flowing between the metal pastes 410 does not pass through the carbon nanowall 322. Therefore, the sensor 500 can reduce the fluctuation range of the measurement value measured by the measurement device 430. Thereby, the sensor 500 can reduce the noise of a measured value, and can improve an S / N ratio.

また、上記したように、下地層310はグラファイトに金属がドープされた層である。グラファイトと金属との接合性は高くない。しかし、下地層310が金属を含むことにより、領域324A、324Bと、金属ペースト410との接合性を向上させることができる。なお、金属ペースト410が金ペーストである場合、グラファイトにドープされる金属は金が好ましい。   Further, as described above, the underlayer 310 is a layer in which a metal is doped into graphite. Bondability between graphite and metal is not high. However, the bonding property between the regions 324A and 324B and the metal paste 410 can be improved by including the metal in the base layer 310. In addition, when the metal paste 410 is a gold paste, the metal doped into graphite is preferably gold.

(実施例)
基板Sとしてシリコン基板を採用し、成膜装置110を用いて、グラファイト層およびナノ構造層320を成膜した。その後、レーザー照射装置120を用いて、ナノ構造層320(カーボンナノウォール322)にレーザーを照射した。レーザーの波長は、800nmとした。レーザーのパルス幅は、40フェムト秒とした。レーザーのエネルギー密度は、1.3×1014W/cmとした。レーザーの照射雰囲気は大気とし、照射雰囲気の圧力は大気圧とした。
(Example)
A silicon substrate was employed as the substrate S, and the graphite layer and the nanostructure layer 320 were formed using the film forming apparatus 110. Then, the laser was irradiated to the nano structure layer 320 (carbon nanowall 322) using the laser irradiation apparatus 120. The wavelength of the laser was 800 nm. The laser pulse width was 40 femtoseconds. The energy density of the laser was 1.3 × 10 14 W / cm 2 . The laser irradiation atmosphere was air, and the pressure of the irradiation atmosphere was atmospheric pressure.

図7は、実施例の結果を説明する図である。図7(a)、図7(b)は、実施例における基板Sからの高さを説明する図である。図7(c)は、実施例を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を示す画像である。図7(d)は、図7(c)におけるレーザー照射領域の部分拡大画像である。   FIG. 7 is a diagram for explaining the results of the example. FIG. 7A and FIG. 7B are diagrams for explaining the height from the substrate S in the embodiment. FIG.7 (c) is an image which shows the result of having observed the Example with the scanning electron microscope (SEM). FIG. 7D is a partially enlarged image of the laser irradiation region in FIG.

図7(a)、図7(b)に示すように、レーザーを照射した領域(レーザー照射領域)は、基板Sからの高さが、2.000μm程度であった。一方、レーザーを照射していない箇所(ナノ構造層320が維持されている箇所)は、基板Sからの高さが3.000μm以上4.000μm以下であった。また、図7(c)、図7(d)に示すように、レーザー照射領域においてグラファイト層が維持されていることが確認された。   As shown in FIGS. 7A and 7B, the area irradiated with the laser (laser irradiation area) had a height from the substrate S of about 2.000 μm. On the other hand, the height from the substrate S was 3.000 μm or more and 4.000 μm or less at a location where the laser was not irradiated (location where the nanostructure layer 320 was maintained). Moreover, as shown in FIG.7 (c) and FIG.7 (d), it was confirmed that the graphite layer is maintained in the laser irradiation area | region.

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although embodiment was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this indication is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims and that they naturally fall within the technical scope.

例えば、上述した実施形態では、成膜装置110がプラズマCVD装置である場合を例に挙げて説明した。しかし、成膜装置110は、基板S上にグラファイト層およびナノ構造層320を成膜できればよい。例えば、成膜装置110は、CVD装置で構成されてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the case where the film forming apparatus 110 is a plasma CVD apparatus has been described as an example. However, the film forming apparatus 110 only needs to be able to form the graphite layer and the nanostructure layer 320 on the substrate S. For example, the film forming apparatus 110 may be configured with a CVD apparatus.

また、上記実施形態において、基板Sが炭化物を形成しやすい元素を含む構成を例に挙げて説明した。しかし、基板の材質に限定はない。   Moreover, in the said embodiment, it demonstrated taking the case of the structure in which the board | substrate S contains the element which is easy to form a carbide | carbonized_material. However, there is no limitation on the material of the substrate.

また、上記実施形態では、グラファイト層にのみ金属がドープされる構成を例に挙げて説明した。しかし、グラファイト層に加えて、ナノ構造層320(カーボンナノウォール322)に金属がドープされてもよい。また、対象物Mに応じて、ナノ構造層320にドープする金属をグラファイト層にドープされる金属と異ならせてもよい。また、カーボンナノウォール(ナノ構造層)にのみ金属がドープされてもよい。さらに、グラファイト層およびカーボンナノウォール(ナノ構造層)に金属がドープされずともよい。   In the above-described embodiment, the configuration in which metal is doped only in the graphite layer has been described as an example. However, in addition to the graphite layer, the nanostructure layer 320 (carbon nanowall 322) may be doped with metal. Further, depending on the object M, the metal doped into the nanostructure layer 320 may be different from the metal doped into the graphite layer. Further, only the carbon nanowall (nanostructure layer) may be doped with metal. Furthermore, the graphite layer and the carbon nanowall (nanostructure layer) may not be doped with metal.

また、対象物Mに応じて、ナノ構造層320(カーボンナノウォール322)に非金属元素(半金属元素を含む)をドープしてもよい。例えば、ホウ素(B)、炭素(C)、窒素(N)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、セレン(Se)、臭素(Br)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、および、ヨウ素(I)の群から選択される1または複数をナノ構造層320にドープしてもよい。なお、上記非金属元素のうち、窒素(N)以外の元素は、例えば、第2成膜工程S120においてスパッタでナノ構造層320にドープすることができる。また、窒素(N)は、例えば、プラズマCVD処理(第2成膜工程S120)において、反応ガスに窒素ガス(N)を混合させることでナノ構造層320にドープすることができる。 Further, according to the object M, the nanostructure layer 320 (carbon nanowall 322) may be doped with a nonmetallic element (including a metalloid element). For example, boron (B), carbon (C), nitrogen (N), silicon (Si), phosphorus (P), sulfur (S), germanium (Ge), arsenic (As), selenium (Se), bromine (Br ), Antimony (Sb), tellurium (Te), and iodine (I) may be doped into the nanostructure layer 320. Of the non-metallic elements, elements other than nitrogen (N) can be doped into the nanostructure layer 320 by sputtering in the second film-forming step S120, for example. Nitrogen (N) can be doped into the nanostructure layer 320 by, for example, mixing nitrogen gas (N 2 ) with the reaction gas in the plasma CVD process (second film formation step S120).

また、上記実施形態では、第1成膜工程S110において、スパッタによって金属をグラファイト層にドープする構成を例に挙げて説明した。しかし、金属のドープは、スパッタに限らず、有機金属を利用した蒸着処理や、金属を加熱して蒸着させる処理、CVD処理、有機金属系ガス(トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム等)や塩化金属ガス(塩化ガリウムガス等)と反応させる処理、インターカレーション処理(グラファイト層を、金属を含む溶液中に浸漬する処理)を用いて遂行してもよい。   Moreover, in the said embodiment, in 1st film-forming process S110, it demonstrated and demonstrated the structure which dopes a metal to a graphite layer by sputtering. However, the metal doping is not limited to sputtering, but a vapor deposition process using an organic metal, a process of heating and depositing a metal, a CVD process, an organometallic gas (trimethylgallium, trimethylaluminum, etc.) or a metal chloride gas ( You may perform using the process made to react with a gallium chloride gas etc. and the intercalation process (process which immerses a graphite layer in the solution containing a metal).

また、上記実施形態において、カーボンナノウォール322が基板Sの表面から垂直方向に立設する構成を例に挙げて説明した。しかし、カーボンナノウォール322は、基板Sから立設していればよく、角度に限定はない。   In the above-described embodiment, the configuration in which the carbon nanowall 322 is erected in the vertical direction from the surface of the substrate S has been described as an example. However, the carbon nanowall 322 only needs to be erected from the substrate S, and the angle is not limited.

また、上記実施形態において、測定装置430が、金属ペースト410間の電位差を測定する構成を例に挙げて説明した。しかし、測定装置430は、金属ペースト410間を流れる電流値を測定してもよい。   Moreover, in the said embodiment, the measuring apparatus 430 demonstrated and demonstrated the structure which measures the electrical potential difference between the metal paste 410 as an example. However, the measuring device 430 may measure the value of current flowing between the metal pastes 410.

また、上記実施形態において、レーザー照射装置120は、ナノ構造層320における互いに離隔した2つの領域324A、342Bにレーザーを照射する構成を例に挙げて説明した。しかし、レーザー照射装置120は、1の領域にレーザーを照射してもよい。図8は、変形例のセンサ600を説明する図である。レーザー照射装置120が1の領域324Cにのみレーザーを照射した場合、図8に示すように、領域324Cと、下地層310とに金属ペースト410を塗布してセンサ600を製造する。変形例のセンサ600も、センサ500と同様に、領域324Cを電極として利用することで、対象物Mが付着しない状態において、電流が流れる主な経路を下地層310とすることが可能となる。   Moreover, in the said embodiment, the laser irradiation apparatus 120 demonstrated and demonstrated the structure which irradiates the laser to two area | region 324A, 342B spaced apart from each other in the nanostructure layer 320 as an example. However, the laser irradiation device 120 may irradiate the laser on one area. FIG. 8 is a diagram illustrating a sensor 600 according to a modified example. When the laser irradiation device 120 irradiates only one region 324C with a laser, the sensor 600 is manufactured by applying a metal paste 410 to the region 324C and the base layer 310 as shown in FIG. Similarly to the sensor 500, the sensor 600 of the modified example can use the region 324C as an electrode, so that the main path through which the current flows can be the base layer 310 in a state where the object M is not attached.

また、上記実施形態において、レーザー照射装置120がビームホモジナイザを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、ビームホモジナイザは必須ではない。   Moreover, in the said embodiment, the laser irradiation apparatus 120 demonstrated as an example the structure provided with a beam homogenizer. However, a beam homogenizer is not essential.

本開示は、カーボンナノウォールを用いてセンサを製造するセンサ製造システム、センサ製造方法、および、センサに利用することができる。   The present disclosure can be used for a sensor manufacturing system, a sensor manufacturing method, and a sensor that manufacture a sensor using carbon nanowalls.

100 センサ製造システム
110 成膜装置
120 レーザー照射装置
500 センサ
600 センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Sensor manufacturing system 110 Film-forming apparatus 120 Laser irradiation apparatus 500 Sensor 600 Sensor

Claims (6)

グラファイト層と、複数のカーボンナノウォールを含んで構成されるナノ構造層と、を基板に成膜する成膜装置と、
前記ナノ構造層の所定の領域に、パルス幅が10−12秒未満のレーザーを照射して、前記グラファイト層を残存させつつ、前記ナノ構造層をアブレートさせるレーザー照射装置と、
を備えるセンサ製造システム。
A film forming apparatus for forming a graphite layer and a nanostructure layer including a plurality of carbon nanowalls on a substrate;
A laser irradiation apparatus for ablating the nanostructure layer while irradiating a predetermined region of the nanostructure layer with a laser having a pulse width of less than 10 −12 seconds to leave the graphite layer;
A sensor manufacturing system comprising:
前記成膜装置は、前記グラファイト層および前記カーボンナノウォールのいずれか一方、または、両方に金属をドープする請求項1に記載のセンサ製造システム。   2. The sensor manufacturing system according to claim 1, wherein the film forming apparatus is configured to dope a metal into one or both of the graphite layer and the carbon nanowall. 前記レーザー照射装置は、前記ナノ構造層における互いに離隔した2つの領域に前記レーザーを照射する請求項1または2に記載のセンサ製造システム。   The sensor manufacturing system according to claim 1, wherein the laser irradiation device irradiates the laser to two regions of the nanostructure layer that are separated from each other. 前記レーザー照射装置は、ビームホモジナイザを有する請求項1から3のいずれか1項に記載のセンサ製造システム。   The sensor manufacturing system according to claim 1, wherein the laser irradiation device includes a beam homogenizer. 基板上にグラファイト層を成膜する工程と、
前記グラファイト層上に、複数のカーボンナノウォールを含んで構成されるナノ構造層を成膜する工程と、
前記ナノ構造層の所定の領域に、パルス幅が10−12秒未満のレーザーを照射して、前記グラファイト層を残存させつつ、前記ナノ構造層をアブレートさせる工程と、
を含むセンサ製造方法。
Forming a graphite layer on the substrate;
Forming a nanostructure layer comprising a plurality of carbon nanowalls on the graphite layer;
Irradiating a predetermined region of the nanostructure layer with a laser having a pulse width of less than 10 −12 seconds to ablate the nanostructure layer while leaving the graphite layer;
A method for manufacturing a sensor comprising:
基板と、
前記基板上に設けられたグラファイト層と、
前記グラファイト層における予め定められた領域に成膜された、複数のカーボンナノウォールを含んで構成されるナノ構造層と、
を備えるセンサ。
A substrate,
A graphite layer provided on the substrate;
A nanostructure layer comprising a plurality of carbon nanowalls formed in a predetermined region of the graphite layer;
Comprising a sensor.
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