JP2019184290A - 温度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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変化と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る温度センサを提供する。【解決手段】少なくとも基材１上に第一電極層２と第二電極層３と半導体高分子層４とを備え、半導体高分子層４は第一電極層２と第二電極層３とに重畳し、半導体高分子層４の抵抗値の温度依存性を利用して第一電極層２と第二電極層３との間で抵抗値の変化を検出する温度センサにおいて、半導体高分子層４にはその表面を覆う酸化セルロース高分子層５が設けられる。【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

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。

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。

特開昭５７−１３３３４３号公報 国際公開第２０１５／１１９２０５号パンフレット

Ａ．Ｂｅｎｃｈｉｒｏｕｆ， ｅｔ ａｌ．， Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ ２２４ （２０１６） ３４４−３５０．

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。

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。

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。

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酸化セルロース高分子層と、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。

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酸化セルロース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。

半導体高分子層上に酸化セルロース高分子層を設けることにより、水分子との親和性を有する酸化セルロース高分子層内での吸湿及び脱湿作用が効果的に働き、半導体高分子層への水分の混入を抑制し、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。

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、酸化セルロース高分子層は酸化セルロースナノファイバからなることを特徴とする。

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、酸化セルロース高分子層は酸化セルロースナノファイバ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 本発明にかかる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。 変形例として電極層が銀からなる本発明にかかる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。 比較例として半導体高分子層のみの温度センサの構成を説明するための断面図。 比較例として半導体高分子層のみ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。

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酸化セルロース高分子層と、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。

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を覆う酸化セルロース高分子層５を形成することで、温度センサを構成している。

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。

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。

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。

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。

酸化セルロース高分子層５の材料としては、酸化セルロースナノファイバ、セルロースナノファイバ等を用いることできる。

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。

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。

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、酸化セルロースナノファイバ（レオクリスタ（登録商標））を塗布し、５０℃で３０分焼成することで厚１〜２μｍの酸化セルロース高分子層５を形成した。

本温度センサにあっては、半導体高分子層４がＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、酸化セルロース高分子層５が酸化セルロースナノファイバであることにより、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。

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。

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、酸化セルロース高分子層５が設けられていないのみである。

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。

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。

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。

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０．８１４Ω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、酸化セルロース高分子層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。

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。

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。

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。

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０．１５Ω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、酸化セルロース高分子層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。

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。

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。

１ 基材
２ 第一電極層
３ 第二電極層
４ 半導体高分子層
５ 酸化セルロース高分子層

Claims (9)

1. プラスチックを含む可撓性の基材と、
   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酸化セルロース高分子層と、
   から構成される温度センサ。
2. 前記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、
   前記酸化セルロース高分子層は酸化セルロースナノファイバからなる、
   請求項１に記載の温度センサ。
3. 前記第一電極層および／または前記第二電極層は金からなる、
   請求項１または請求項２に記載の温度センサ。
4. 前記第一電極層および／または前記第二電極層は銀からなる、
   請求項１または請求項２に記載の温度センサ。
5. 前記第一電極層と前記第二電極層との間に直流電圧が印加され、
   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。
6. プラスチックを含む可撓性の基材上に、パターン形成された第一電極層と、
   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酸化セルロース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。
7. 前記半導体高分子層を形成する工程は、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）を塗布する工程を含み、前記酸化セルロース高分子層を形成する工程は、酸化セルロースナノファイバ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。
8. 前記第一電極層および／または第二電極層を形成する工程は、金含有物を真空蒸着する工程を含む、
   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。
9. 前記第一電極層および／または第二電極層を形成する工程は、銀ナノ粒子分散インクを印刷する工程を含む、
   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。

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