JP5119539B2 - 水蒸気センサおよび製造方法、水蒸気測定装置、蒸散量測定方法 - Google Patents
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
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Description
本発明は、大気中において、特定箇所から放出される水分を検出・計測する水蒸気センサおよびその製造技術等に関するものである。
現在、日本の農業は、輸入農産物に対する価格競争にさらされている。小規模な農家が多い現状では、さらに、気候の変動に左右され易い収穫、そして収入や、人材・後継者不足による継承危機にも直面している。これに対抗するためには、生産物の品質を向上するとともに、遠隔操作・自動化の促進による省力化を行う必要がある。それには、数値化、データベース化による情報の蓄積が欠かせない。
さて、生産物の品質の向上を図ることの１つに、果実や野菜の高糖度化がある。この高糖度、高品質の果実等を得るためには、水の管理が欠かせない。これは、果樹等に与える水分を少なめにして、水ストレスを果樹等に与えることにより、高糖度、高品質の果実等が得られるからである。
適切な水の管理を行うためには、植物からの蒸散される水分を検出することが必要である。この植物からの蒸散を検出できれば、植物に与える水ストレスを管理することが容易になる。しかしながら、この植物から蒸散される水分を検出するための適切なセンサが現在提供されていない。
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適切な水の管理を行うためには、植物からの蒸散される水分を検出することが必要である。この植物からの蒸散を検出できれば、植物に与える水ストレスを管理することが容易になる。しかしながら、この植物から蒸散される水分を検出するための適切なセンサが現在提供されていない。
本発明の目的は、軽量で、成形・加工性に優れ、柔軟性を有し、かつ安価に提供できる水蒸気センサおよびその製造方法、それを用いた水蒸気測定装置や植物の蒸散量測定方法を提供するものである。
本発明の目的を達成するために、本発明は、有機半導体材料が付着した多孔質の薄膜の片方の表面に対向電極を形成させた水蒸気センサであって、有機半導体材料が付着する前の薄膜の多孔質の孔の内壁表面は、親水性を有し、付着される有機半導体材料は、親水部と疎水部とを有するものであることを特徴とする水蒸気センサである。
水蒸気センサでは、前記薄膜は側鎖にフッ素置換基を有する高分子材料であることが望ましい。
前記対向電極は、平行方向に一定のギャップを有して配置されていることが望ましい。
水蒸気センサでは、前記薄膜は側鎖にフッ素置換基を有する高分子材料であることが望ましい。
前記対向電極は、平行方向に一定のギャップを有して配置されていることが望ましい。
前記半導体材料が溶媒溶解性を有する有機半導体材料であり、前記溶媒溶解性を有する有機半導体材料は、ペンタセン、テトラセン、チオフェン、フタロシアニン、コロネン、オバレン、アントラセン、アントラジチオフェン、ルブレン、ペリレン、ペリレンテトラカルボン酸二無水物、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、フッ素化フタロシアニン、フラーレン及びこれらの末端もしくはその側鎖が置換された誘導体、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリフルオレン、ポリフルオレンチエニレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリアリルアミン、ポリアズレン、ポリピレン、ポリピリジン及びこれらの末端もしくはその側鎖が置換された誘導体のポリマーから選択されることが望ましい。
この水蒸気センサの製造方法としては、多孔質の薄膜基材を有機半導体材料の溶液に浸漬させることで、有機半導体材料を多孔質中に浸透させて、薄膜基材に付着させ、該薄膜基材の表面に対向電極を形成することがよい。
この水蒸気センサの電極に電圧を印加し、その際流れる電流量から、水蒸気センサにおける水蒸気量を検出することを特徴とする水蒸気測定装置も本発明である。この水蒸気測定装置を用いて、葉の気孔から蒸散する水分を検出する植物の蒸散量測定方法において、前記水蒸気センサを、電極面とは反対の面を植物の葉の裏面に接着させて、葉の気孔から蒸散する水分を検出するとよい。
この水蒸気センサの電極に電圧を印加し、その際流れる電流量から、水蒸気センサにおける水蒸気量を検出することを特徴とする水蒸気測定装置も本発明である。この水蒸気測定装置を用いて、葉の気孔から蒸散する水分を検出する植物の蒸散量測定方法において、前記水蒸気センサを、電極面とは反対の面を植物の葉の裏面に接着させて、葉の気孔から蒸散する水分を検出するとよい。
上述の水蒸気センサは、軽量で、成形・加工性に優れ、柔軟性を有している。また、上述の製造方法により、安価に提供できる。この水蒸気センサを用いて、水蒸気測定装置を構成することで植物の蒸散量測定ができる。
発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明で提案する水蒸気センサ１２０を用いて、葉１１０の裏側（気孔がある側）に水蒸気センサ１２０を取りつけ、葉の気孔から蒸散される水分を検出する装置構成の概略を示す図である。
葉１１０の裏側に取り付けられた水蒸気センサ１２０からの信号を、電圧源と電流測定とが一体となっている計測器１４０により検出する。そのデータをコンピュータ１５０で記録する。同時に、周囲環境の温度・湿度センサ１３０からのデータを、コンピュータ１５０に記録し、２つのデータの相関解析から、葉１１０からの蒸散量を求める。
さて、このようにして、植物から蒸散される水分を検出するための水蒸気センサ１２０の条件として、以下のことが必要である。
（１）多量に使用して、使い捨てにできるために、きわめて低コストで製作できること
（２）葉に取り付けるために、柔軟性を有し、軽量で、適切なサイズであること
（３）葉からの蒸散水分のみを選択的に検出できること
（４）蒸散水分を検出するために、高速応答性・高感度であること
（５）低電圧・低電力で駆動できること
以下に説明する水蒸気センサは、これらの条件に適したセンサである。
図１は、本発明で提案する水蒸気センサ１２０を用いて、葉１１０の裏側（気孔がある側）に水蒸気センサ１２０を取りつけ、葉の気孔から蒸散される水分を検出する装置構成の概略を示す図である。
葉１１０の裏側に取り付けられた水蒸気センサ１２０からの信号を、電圧源と電流測定とが一体となっている計測器１４０により検出する。そのデータをコンピュータ１５０で記録する。同時に、周囲環境の温度・湿度センサ１３０からのデータを、コンピュータ１５０に記録し、２つのデータの相関解析から、葉１１０からの蒸散量を求める。
さて、このようにして、植物から蒸散される水分を検出するための水蒸気センサ１２０の条件として、以下のことが必要である。
（１）多量に使用して、使い捨てにできるために、きわめて低コストで製作できること
（２）葉に取り付けるために、柔軟性を有し、軽量で、適切なサイズであること
（３）葉からの蒸散水分のみを選択的に検出できること
（４）蒸散水分を検出するために、高速応答性・高感度であること
（５）低電圧・低電力で駆動できること
以下に説明する水蒸気センサは、これらの条件に適したセンサである。
図２は、水蒸気センサ１２０を示す図である。水蒸気センサ１２０は、多孔質の薄膜基板に、半導体材料を多孔質基板の孔壁に吸着させて半導体基板１２４を作成する。
作成した半導体基板１２４の表面に対向電極１２６を作成し、リード線１２８を取り付ける。対向電極１２６は、半導体基板の表面に平行方向に一定のギャップを有して配置されている。用いる電極の材料としては、半導体に電荷を輸送するキャリアがホールであるｐ型半導体を用いる場合、半導体層とのオーミック接触をとるために仕事関数が大きい金属を用いることが望ましい。また、半導体に電荷を輸送するキャリアがエレクトロンであるｎ型半導体を用いる場合は、仕事関数が小さい金属を用いることが望ましい。
作成した半導体基板１２４の表面に対向電極１２６を作成し、リード線１２８を取り付ける。対向電極１２６は、半導体基板の表面に平行方向に一定のギャップを有して配置されている。用いる電極の材料としては、半導体に電荷を輸送するキャリアがホールであるｐ型半導体を用いる場合、半導体層とのオーミック接触をとるために仕事関数が大きい金属を用いることが望ましい。また、半導体に電荷を輸送するキャリアがエレクトロンであるｎ型半導体を用いる場合は、仕事関数が小さい金属を用いることが望ましい。
図３は、水蒸気センサ１２０の用いられ方を示す図である。水蒸気センサ１２０は、葉の裏側（気孔がある側）に、電極１２６を作成していない面を密着するように取りつける。水蒸気センサ１２０は、多孔質である半導体基板１２４を通り抜けた蒸散水分を、電極１２６間の電導度の変化として、電圧を印加して電流を検出することで測定する。
水蒸気センサ１２０の取付けには、クリップ状の装着器具の先端の内側に水蒸気センサ１２０を取り付け、クリップで植物の葉を挟みこむように装着してもよい。クリップで留めている様子を図４に示す。
図４において、金属性のクリップ１６０には、リード線１２８が取り付けられており、２つのクリップ１６０は対向電極１２６それぞれと葉１１０を挟むようにしている。２つのクリップ１６０は水蒸気センサ１２０の対向電極がない側を葉１１０の裏側に密着させて保持するとともに、対向電極１２６に電圧を印加して、水蒸気センサ１２０に流れる電流を測定することも行っている。この場合は、図２のように対向電極１２６にはリード線１２８は取り付けられていない。
水蒸気センサ１２０の取付けには、クリップ状の装着器具の先端の内側に水蒸気センサ１２０を取り付け、クリップで植物の葉を挟みこむように装着してもよい。クリップで留めている様子を図４に示す。
図４において、金属性のクリップ１６０には、リード線１２８が取り付けられており、２つのクリップ１６０は対向電極１２６それぞれと葉１１０を挟むようにしている。２つのクリップ１６０は水蒸気センサ１２０の対向電極がない側を葉１１０の裏側に密着させて保持するとともに、対向電極１２６に電圧を印加して、水蒸気センサ１２０に流れる電流を測定することも行っている。この場合は、図２のように対向電極１２６にはリード線１２８は取り付けられていない。
図５は、溶媒溶解性を有する有機半導体を用いた水蒸気センサ１２０の作製方法を示す図である。
まず、図５（ａ）に示すように、基板１２２と、溶媒溶解性を有する有機半導体材料を溶解した有機半導体溶液（半導体インク）とを用意する。
基板１２２は、多孔質で、耐溶媒性があり、かつ柔軟性を有する材料が用いられる。この候補として、側鎖にフッ素置換基を有する高分子材料が望ましい。例えば、ポリビニリデンフルオライドや、ポリテトラフルオロエチレンなどによる多孔質フィルムなどがあげられる。
多孔質の薄膜基板を、有機半導体溶液に浸漬させることで、この孔の内壁を半導体材料でコーティングしているが、内壁の表面が親水性であると、有機半導体材料の親水部（電気が通る部分）が内壁側に、疎水部（例えばアルキル基の部分：電気は通らないが、半導体膜の構造を形成させる役割をなしている）が、内壁表面の外側を向いて、半導体材料が孔の内壁に付着する。これにより、孔の内壁は、有機半導体のコーティングにより疎水性を示すようになる。これで、孔の内壁が疎水性であるがために、その上に水分が付着したとしても離脱しやすくなり、孔の中を通った水分が、孔の中で停滞してしまわず、通り抜けていく。水分が、孔の表面に吸着してしまうと、水蒸気ではなく、センサへの水分吸着量を計測してしまうことになるので、水蒸気センサ（蒸散量センサ）として用いることが難しい。このため、多孔質の薄膜基板の孔の内壁は親水性であることが望ましい。
基材１２２を親水性を有するようにするための親水処理は特に限定されない。親水性を有する水酸基のようなものを表面に結合させることや、ポリビニルアルコールなどの親水性を有する高分子で表面をコーティングしておくことなどの方法、オゾン処理を施す方法などが考えられる。
まず、図５（ａ）に示すように、基板１２２と、溶媒溶解性を有する有機半導体材料を溶解した有機半導体溶液（半導体インク）とを用意する。
基板１２２は、多孔質で、耐溶媒性があり、かつ柔軟性を有する材料が用いられる。この候補として、側鎖にフッ素置換基を有する高分子材料が望ましい。例えば、ポリビニリデンフルオライドや、ポリテトラフルオロエチレンなどによる多孔質フィルムなどがあげられる。
多孔質の薄膜基板を、有機半導体溶液に浸漬させることで、この孔の内壁を半導体材料でコーティングしているが、内壁の表面が親水性であると、有機半導体材料の親水部（電気が通る部分）が内壁側に、疎水部（例えばアルキル基の部分：電気は通らないが、半導体膜の構造を形成させる役割をなしている）が、内壁表面の外側を向いて、半導体材料が孔の内壁に付着する。これにより、孔の内壁は、有機半導体のコーティングにより疎水性を示すようになる。これで、孔の内壁が疎水性であるがために、その上に水分が付着したとしても離脱しやすくなり、孔の中を通った水分が、孔の中で停滞してしまわず、通り抜けていく。水分が、孔の表面に吸着してしまうと、水蒸気ではなく、センサへの水分吸着量を計測してしまうことになるので、水蒸気センサ（蒸散量センサ）として用いることが難しい。このため、多孔質の薄膜基板の孔の内壁は親水性であることが望ましい。
基材１２２を親水性を有するようにするための親水処理は特に限定されない。親水性を有する水酸基のようなものを表面に結合させることや、ポリビニルアルコールなどの親水性を有する高分子で表面をコーティングしておくことなどの方法、オゾン処理を施す方法などが考えられる。
溶媒溶解性を有する有機半導体材料としては、ペンタセン、テトラセン、チオフェン、フタロシアニン、コロネン、オバレン、アントラセン、アントラジチオフェン、ルブレン、ペリレン、ペリレンテトラカルボン酸二無水物、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、フッ素化フタロシアニン、フラーレン及びこれらの末端もしくはその側鎖が置換された誘導体、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリフルオレン、ポリフルオレンチエニレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリアリルアミン、ポリアズレン、ポリピレン、ポリピリジン及びこれらの末端もしくはその側鎖が置換された誘導体のポリマーから選択される。
このように、溶媒溶解性を有する有機半導体材料を用いることで、簡単に水蒸気センサの有機半導体基板を作成することができる。
また、上述したように、有機半導体材料としては、親水部と疎水部を有することが望ましい。このために、疎水部として、上述の有機半導体材料はアルキル置換基等で修飾されているものが望ましい。
なお、アルキル置換基以外の疎水部としては、アルケニル基、アルコキシ基、ヒドロキシアルキル基、カルボキシルアルキル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基、アルキルカルボニルオキシ基、あるいはこれらの一部もしくは全部がフッ素で置換された修飾基等がある。
溶剤は、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロホルム、ジクロロベンゼンなど、上述の有機半導体材料を、十分に溶解することができるものなら、いかなるものを用いてもかまわない。浸漬させる際の溶液の濃度は、特に限定されない。
基板１２２を溶液中に浸漬して（図５（ｂ））、半導体付着基板１２４を作成する（図５（ｃ））。
このように、溶媒溶解性を有する有機半導体材料を用いることで、簡単に水蒸気センサの有機半導体基板を作成することができる。
また、上述したように、有機半導体材料としては、親水部と疎水部を有することが望ましい。このために、疎水部として、上述の有機半導体材料はアルキル置換基等で修飾されているものが望ましい。
なお、アルキル置換基以外の疎水部としては、アルケニル基、アルコキシ基、ヒドロキシアルキル基、カルボキシルアルキル基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基、アルキルカルボニルオキシ基、あるいはこれらの一部もしくは全部がフッ素で置換された修飾基等がある。
溶剤は、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロホルム、ジクロロベンゼンなど、上述の有機半導体材料を、十分に溶解することができるものなら、いかなるものを用いてもかまわない。浸漬させる際の溶液の濃度は、特に限定されない。
基板１２２を溶液中に浸漬して（図５（ｂ））、半導体付着基板１２４を作成する（図５（ｃ））。
作成した半導体付着基板１２４の表面に電極１２６を作成する（図５（ｄ））。
用いる電極の材料としては、半導体に電荷を輸送するキャリアがホールであるｐ型半導体を用いる場合、半導体層とのオーミック接触をとるために仕事関数が大きい金属を用いることが望ましい。例えば、金や白金等があげられるが、これに限定されるものではない。インジウム、パラジウム、銀、銅等も用いることができる。
また、半導体に電荷を輸送するキャリアがエレクトロンであるｎ型半導体を用いる場合は、仕事関数が小さい金属を用いることが望ましい。例えば、アルミニウムやカルシウム、インジウム等があげられるが、これに限定されるものではない。
なお、上述では、有機半導体を用いているが、有機無機ハイブリット材料といわれる、ペロブスカイト有機アンモニウム塩ＲＮＨ３ＭＸ４（ここで、Ｒはアルキル基、Ｍは２価の金属、Ｘは塩素または臭素またはヨウ素のいずれか。）などでもよい。具体的な代表的材料としては、（ＣｎＨ２ｎ＋１ＮＨ３）ＰｂＩ４がある（ここで、ｎは整数）。
用いる電極の材料としては、半導体に電荷を輸送するキャリアがホールであるｐ型半導体を用いる場合、半導体層とのオーミック接触をとるために仕事関数が大きい金属を用いることが望ましい。例えば、金や白金等があげられるが、これに限定されるものではない。インジウム、パラジウム、銀、銅等も用いることができる。
また、半導体に電荷を輸送するキャリアがエレクトロンであるｎ型半導体を用いる場合は、仕事関数が小さい金属を用いることが望ましい。例えば、アルミニウムやカルシウム、インジウム等があげられるが、これに限定されるものではない。
なお、上述では、有機半導体を用いているが、有機無機ハイブリット材料といわれる、ペロブスカイト有機アンモニウム塩ＲＮＨ３ＭＸ４（ここで、Ｒはアルキル基、Ｍは２価の金属、Ｘは塩素または臭素またはヨウ素のいずれか。）などでもよい。具体的な代表的材料としては、（ＣｎＨ２ｎ＋１ＮＨ３）ＰｂＩ４がある（ここで、ｎは整数）。
電極の作成法は特に限定されず、いかなる方法を用いても良い。一般に、真空蒸着やスパッタリングなどの気相成長法が用いられることが多い。簡便で低コストでの作成という点からは、スクリーン印刷、インクジェット印刷など、材料を溶媒と混合させ溶液からの塗布などして作成する湿式製造プロセスとしての印刷手法なども適用される。この場合には、銀ペースト、金ペースト、カーボンペーストの他、チオフェン系導電性高分子（ＰＥＤＯＴ）やポリアニリン及びそれらの誘導体などの有機電極も用いることができる。また、素子の安定化、長寿命化、高電荷注入効率化などを図るため、電極が複数の材料の混合もしくは積層で構成されたり、あるいは表面処理を施しておくことも可能である。
電極は、薄膜の膜面と平行方向に一定のギャップを有して並列に配置形成されるが、この際電極間ギャップは特に限定されない。
なお、間隔が小さいとｏｆｆ電流が多量に流れてしまい、信号がきたときの電流（ｏｎ電流）との差がわからなくなってしまい、信号の有無（Ｓ/Ｎ比）が取れなくなってしまう。一方、間隔が大きくなると、今度はｏｆｆ電流は低くなるが、ｏｎ電流は高い電圧をかけないと流れなくなってしまう。
また、平行に対向している電極のそれぞれの電極幅は、特に限定されず、いかなる幅のものを用いても構わない。必要な出力電流量により、適宜調整することが可能である。
電極の厚さも、特に限定されず、いかなる厚さを用いても構わない。
なお、間隔が小さいとｏｆｆ電流が多量に流れてしまい、信号がきたときの電流（ｏｎ電流）との差がわからなくなってしまい、信号の有無（Ｓ/Ｎ比）が取れなくなってしまう。一方、間隔が大きくなると、今度はｏｆｆ電流は低くなるが、ｏｎ電流は高い電圧をかけないと流れなくなってしまう。
また、平行に対向している電極のそれぞれの電極幅は、特に限定されず、いかなる幅のものを用いても構わない。必要な出力電流量により、適宜調整することが可能である。
電極の厚さも、特に限定されず、いかなる厚さを用いても構わない。
次に、電極にリード線を結合する（図５（ｅ））。電極と銅線の結合の方法は、特に限定されない。半田付けすることも可能であるし、圧着することも可能である。なお、リード線を結合せず、他の方式で電極と結合することもできる（図４参照）。
水蒸気センサは、耐久性を確保するために、フィルムなどで覆って使用することも可能である。その際、電極ではさまれた間隙部分とそれの裏面部分は、大気に露出していることが望ましい。
水蒸気センサは、耐久性を確保するために、フィルムなどで覆って使用することも可能である。その際、電極ではさまれた間隙部分とそれの裏面部分は、大気に露出していることが望ましい。
上述の有機半導体水蒸気センサを、下記の実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されない。
さて、まず、水蒸気センサの蒸散水蒸気応答を評価するため、形状・面積がほぼ同じろ紙及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートを疎水性多孔質樹脂膜が上面になるように配置し、ろ紙を水で湿潤させることで疎水性多孔質樹脂膜を介して水蒸気を自然蒸散させるシステムを作製した。
このシステムによる、疎水性多孔質樹脂膜を介した水蒸気の自然蒸散を調べるため、ろ紙の一端に一定の電圧を印加した電極対を接触させておき、さらに、湿度計をフッ素樹脂表面及び容器の外部に設置した状態でろ紙の一端に極少量の水滴を滴下し、ろ紙の湿潤の程度を示す電気伝導度の変化とシート表面及び測定環境の湿度の時間変化を室温・大気環境下で同時測定した。その結果を図６に示す。
室内環境の湿度がほぼ一定値を示すのに対し（図６（ａ）参照）、シート表面の湿度はろ紙の湿潤に伴う電気伝導度の変化（図６（ｂ）参照）に応じた変化（図６（ａ）参照）を示したことから、ろ紙に浸透した水分が疎水性多孔質樹脂膜を通して水蒸気となって自然蒸散することが確認された。
さて、まず、水蒸気センサの蒸散水蒸気応答を評価するため、形状・面積がほぼ同じろ紙及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートを疎水性多孔質樹脂膜が上面になるように配置し、ろ紙を水で湿潤させることで疎水性多孔質樹脂膜を介して水蒸気を自然蒸散させるシステムを作製した。
このシステムによる、疎水性多孔質樹脂膜を介した水蒸気の自然蒸散を調べるため、ろ紙の一端に一定の電圧を印加した電極対を接触させておき、さらに、湿度計をフッ素樹脂表面及び容器の外部に設置した状態でろ紙の一端に極少量の水滴を滴下し、ろ紙の湿潤の程度を示す電気伝導度の変化とシート表面及び測定環境の湿度の時間変化を室温・大気環境下で同時測定した。その結果を図６に示す。
室内環境の湿度がほぼ一定値を示すのに対し（図６（ａ）参照）、シート表面の湿度はろ紙の湿潤に伴う電気伝導度の変化（図６（ｂ）参照）に応じた変化（図６（ａ）参照）を示したことから、ろ紙に浸透した水分が疎水性多孔質樹脂膜を通して水蒸気となって自然蒸散することが確認された。
（実施例１）
厚さ１２５ミクロン、平均孔径０．４５ミクロン、空隙率約７５％の表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製親水性デュラポア膜）を重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで、高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、厚さ０．３ミクロンの金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサ１を作製した。
このようにして作製した水蒸気センサ１を、上述のろ紙及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートの疎水性多孔質樹脂膜上に金電極を形成した面と反対の面を接触させるように配置した。
厚さ１２５ミクロン、平均孔径０．４５ミクロン、空隙率約７５％の表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製親水性デュラポア膜）を重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで、高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、厚さ０．３ミクロンの金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサ１を作製した。
このようにして作製した水蒸気センサ１を、上述のろ紙及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートの疎水性多孔質樹脂膜上に金電極を形成した面と反対の面を接触させるように配置した。
水蒸気センサ１の金電極対（対向電極）に１Ｖの電圧を連続的に印加しながら、ろ紙に極少量の水滴を滴下し湿潤させ、疎水性多孔質樹脂膜を介して上昇する水蒸気に対する水蒸気センサの出力電流値の変化、およびろ紙の湿潤の程度を示すろ紙電気伝導度の時間変化を一定の時間間隔で同時測定した。その結果、図７（ａ），（ｂ）に示すように、ろ紙の湿潤の程度に対応した電流値の変化が確認され、水蒸気非暴露と暴露時で二桁以上の出力電流値の比が得られた。
次に、水蒸気センサ１の金電極対に１Ｖの電圧を連続的に印加しながら室内大気中に暴露し、室内の温湿度の変化と水蒸気センサ１の出力電流値の変化を測定した。図８（ａ），（ｂ）にその結果を示す。
水蒸気センサ１の出力電流は、室内温湿度の変化（図８（ｂ）参照）に対して１０ｐＡ程度の僅かな電流値の変化しか示さなかった（図８（ａ）参照）。このことから、上述の図６で示した水蒸気センサ１の電流値変化が、湿潤したろ紙から蒸散する水蒸気がセンサ裏面から金電極の間隙を透過した量に対応したものであることを確認した。
次に、水蒸気センサ１の金電極対に１Ｖの電圧を連続的に印加しながら室内大気中に暴露し、室内の温湿度の変化と水蒸気センサ１の出力電流値の変化を測定した。図８（ａ），（ｂ）にその結果を示す。
水蒸気センサ１の出力電流は、室内温湿度の変化（図８（ｂ）参照）に対して１０ｐＡ程度の僅かな電流値の変化しか示さなかった（図８（ａ）参照）。このことから、上述の図６で示した水蒸気センサ１の電流値変化が、湿潤したろ紙から蒸散する水蒸気がセンサ裏面から金電極の間隙を透過した量に対応したものであることを確認した。
（参考例１）
実施例１と同一の厚さ１２５ミクロン、平均孔径０．４５ミクロン、空隙率約７５％の表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製親水性デュラポア膜）の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、０．３ミクロンの厚みを持つ金電極対（対向電極）を真空蒸着により形成した。
このセンサを実施例１と同様に、ろ紙、及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートの疎水性多孔質樹脂膜上に、金電極を形成した面と反対の面を接触させるように配置した。金電極対に１Ｖの電圧を連続的に印加した状態で、ろ紙に極少量の水滴を滴下し湿潤させ、疎水性多孔質樹脂膜を介して上昇する水蒸気に対する出力電流値の変化を測定した結果、電流値の変化はまったく観測されなかった。このことから、実施例１の図７（ａ）の水蒸気センサ１からの水蒸気による電流値の変化は、フッ素樹脂多孔質膜が高分子半導体材料で被覆された効果によるものであることを確認した。
実施例１と同一の厚さ１２５ミクロン、平均孔径０．４５ミクロン、空隙率約７５％の表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製親水性デュラポア膜）の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、０．３ミクロンの厚みを持つ金電極対（対向電極）を真空蒸着により形成した。
このセンサを実施例１と同様に、ろ紙、及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートの疎水性多孔質樹脂膜上に、金電極を形成した面と反対の面を接触させるように配置した。金電極対に１Ｖの電圧を連続的に印加した状態で、ろ紙に極少量の水滴を滴下し湿潤させ、疎水性多孔質樹脂膜を介して上昇する水蒸気に対する出力電流値の変化を測定した結果、電流値の変化はまったく観測されなかった。このことから、実施例１の図７（ａ）の水蒸気センサ１からの水蒸気による電流値の変化は、フッ素樹脂多孔質膜が高分子半導体材料で被覆された効果によるものであることを確認した。
（実施例２）
厚さ１２５ミクロン、平均孔径０．４５ミクロン、空隙率約７５％の表面疎水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製疎水性デュラポア膜）を、実施例１と同様に重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔をもたせて平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、０．３ミクロンの厚みを持つ金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサを作製した。
作製した水蒸気センサ２を、実施例１の場合と同様に、ろ紙、及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートの疎水性多孔質樹脂膜上に金電極を形成した面と反対の面を接触させるように配置した。
水蒸気センサ２の金電極対に、１Ｖの電圧を連続的に印加した状態で、ろ紙に極少量の水滴を滴下し湿潤させ、疎水性多孔質樹脂膜を介して上昇する水蒸気に対する水蒸気センサ２の出力電流値の変化、およびろ紙の湿潤の程度を示す伝導度の時間変化を一定の時間間隔で同時測定した。その結果を図９（ａ），（ｂ）に示す。
厚さ１２５ミクロン、平均孔径０．４５ミクロン、空隙率約７５％の表面疎水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製疎水性デュラポア膜）を、実施例１と同様に重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔をもたせて平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、０．３ミクロンの厚みを持つ金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサを作製した。
作製した水蒸気センサ２を、実施例１の場合と同様に、ろ紙、及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートの疎水性多孔質樹脂膜上に金電極を形成した面と反対の面を接触させるように配置した。
水蒸気センサ２の金電極対に、１Ｖの電圧を連続的に印加した状態で、ろ紙に極少量の水滴を滴下し湿潤させ、疎水性多孔質樹脂膜を介して上昇する水蒸気に対する水蒸気センサ２の出力電流値の変化、およびろ紙の湿潤の程度を示す伝導度の時間変化を一定の時間間隔で同時測定した。その結果を図９（ａ），（ｂ）に示す。
表面疎水性のフッ素樹脂多孔質膜を用いた実施例２の水蒸気センサ２の場合にも、水蒸気の自然蒸散に対する出力電流の変化（図８（ｂ）参照）が観測されたが、表面親水性の多孔質膜を用いた水蒸気センサ１（図７（ａ）参照）に比べて、水蒸気非暴露時に流れる電流の値、および時間的なドリフトは大きく、水蒸気非暴露と暴露時で出力電流値の比も小さい。
（実施例３）
実施例１で用いたのと同素材で厚さ１２５ミクロン、平均孔径０．１ミクロン、空隙率約８０％をもつ表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製親水性デュラポア膜）を、実施例１と同様に重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで、高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、０．３ミクロンの厚みを持つ金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサ３を作製した。
実施例１で用いたのと同素材で厚さ１２５ミクロン、平均孔径０．１ミクロン、空隙率約８０％をもつ表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製親水性デュラポア膜）を、実施例１と同様に重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで、高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、０．３ミクロンの厚みを持つ金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサ３を作製した。
このようにして作製した水蒸気センサ３を、実施例１と同様に、ろ紙、及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートの疎水性多孔質樹脂膜上に、金電極を形成した面と反対の面を接触させるように配置した。水蒸気センサ３の金電極対に、１Ｖの電圧を連続的に印加た状態で、ろ紙に極少量の水滴を滴下し湿潤させ、疎水性多孔質樹脂膜を介して上昇する水蒸気に対する水蒸気センサ３の出力電流値の変化、およびろ紙の湿潤の程度を示す伝導度の時間変化を一定の時間間隔で同時測定した。その結果を図１０（ａ），（ｂ）に示す。
水蒸気センサ３は、実施例１の水蒸気センサ１と同様に、図１０（ｂ）に示されるろ紙の湿潤の変化に対応した蒸散水蒸気量の増減に対応した電流値の変化（図１０（ａ）参照）が確認されたが、出力電流値は実施例１の平均孔径０．４５ミクロンの表面親水性フッ素樹脂多孔質膜を用いた水蒸気センサ１（図７（ａ）参照）に比べて小さかった。
水蒸気センサ３は、実施例１の水蒸気センサ１と同様に、図１０（ｂ）に示されるろ紙の湿潤の変化に対応した蒸散水蒸気量の増減に対応した電流値の変化（図１０（ａ）参照）が確認されたが、出力電流値は実施例１の平均孔径０．４５ミクロンの表面親水性フッ素樹脂多孔質膜を用いた水蒸気センサ１（図７（ａ）参照）に比べて小さかった。
（実施例４）
厚さ８０ミクロン、平均孔径０．４５ミクロン、空隙率約８０％の表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製オムニポア膜）を、実施例１と同様に重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで、高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、厚さ０．３ミクロンの金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサ４を作製した。
実施例１と同様に、作製した水蒸気センサ４を、ろ紙及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートの疎水性多孔質樹脂膜上に、金電極を形成した面と反対の面を接触させるように配置した。水蒸気センサ４の金電極対に、１Ｖの電圧を連続的に印加した状態で、ろ紙に極少量の水滴を滴下し湿潤させ、疎水性多孔質樹脂膜を介して上昇する水蒸気に対する水蒸気センサ４の出力電流値の変化、およびろ紙の湿潤の程度を示す伝導度の時間変化を一定の時間間隔で同時測定した。
厚さ８０ミクロン、平均孔径０．４５ミクロン、空隙率約８０％の表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製オムニポア膜）を、実施例１と同様に重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで、高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、厚さ０．３ミクロンの金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサ４を作製した。
実施例１と同様に、作製した水蒸気センサ４を、ろ紙及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートの疎水性多孔質樹脂膜上に、金電極を形成した面と反対の面を接触させるように配置した。水蒸気センサ４の金電極対に、１Ｖの電圧を連続的に印加した状態で、ろ紙に極少量の水滴を滴下し湿潤させ、疎水性多孔質樹脂膜を介して上昇する水蒸気に対する水蒸気センサ４の出力電流値の変化、およびろ紙の湿潤の程度を示す伝導度の時間変化を一定の時間間隔で同時測定した。
その結果を図１１に示す。水蒸気センサ４は、実施例１で作製した水蒸気センサ１と同様に、図１１（ｂ）に示されるろ紙の湿潤の程度に対応した電流値の変化が確認され（図１１（ａ）参照）、水蒸気非暴露−暴露時の出力電流値の比は２桁以上が得られた。また、実施例１で作製した厚さ１２５ミクロンの表面親水性フッ素樹脂膜を用いた水蒸気センサ１（図７（ａ）参照）に比べて、水蒸気センサ４は、水蒸気量に対する出力電流変化の応答時間が早いことが確認された。
（実施例５）
実施例３で用いたものと同素材の、厚さ８０ミクロン、平均孔径０．１ミクロン、空隙率約８０％の表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製オムニポア膜）を、実施例１と同様に、重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで、高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、厚さ０．３ミクロンの金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサ５を作製した。
実施例３で用いたものと同素材の、厚さ８０ミクロン、平均孔径０．１ミクロン、空隙率約８０％の表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製オムニポア膜）を、実施例１と同様に、重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで、高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、厚さ０．３ミクロンの金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサ５を作製した。
実施例１と同様に、作製した水蒸気センサ５を、ろ紙及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートの疎水性多孔質樹脂膜上に、金電極を形成した面と反対の面を接触させるように配置した。水蒸気センサ５の金電極対に１Ｖの電圧を連続的に印加した状態で、ろ紙に極少量の水滴を滴下し湿潤させ、疎水性多孔質樹脂膜を介して上昇する水蒸気に対する水蒸気センサ５の出力電流値の変化、およびろ紙の湿潤の程度を示す伝導度の時間変化を、一定の時間間隔で同時測定した。その結果を図１２（ａ），（ｂ）に示す。
実施例４の水蒸気センサ４と同様に、図１２（ｂ）に示されるろ紙の湿潤の変化、すなわち、蒸散水蒸気量の増減に対応した電流値の変化が図１２（ａ）に確認された。しかし、出力電流値は、厚さ８０ミクロン、平均孔径０．４５ミクロンの表面親水性フッ素樹脂多孔質膜を用いた水蒸気センサ４（図１０（ａ）参照）に比べて小さかった。
実施例４の水蒸気センサ４と同様に、図１２（ｂ）に示されるろ紙の湿潤の変化、すなわち、蒸散水蒸気量の増減に対応した電流値の変化が図１２（ａ）に確認された。しかし、出力電流値は、厚さ８０ミクロン、平均孔径０．４５ミクロンの表面親水性フッ素樹脂多孔質膜を用いた水蒸気センサ４（図１０（ａ）参照）に比べて小さかった。
（実施例６）
実施例３で用いたものと同素材の厚さ８０ミクロン、平均孔径１ミクロン、空隙率約８０％の表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製オムニポア膜）を、実施例１と同様に重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで、高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、厚さ０．３ミクロンの金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサ６を作製した。
実施例３で用いたものと同素材の厚さ８０ミクロン、平均孔径１ミクロン、空隙率約８０％の表面親水性のフッ素樹脂製多孔質膜（ミリポア社製オムニポア膜）を、実施例１と同様に重量濃度０．０１％のポリ（３−ｎ−ヘキシルチオフェン）のクロロホルム溶液に浸漬した後、クロロホルムを乾燥除去することで、高分子半導体をコートした多孔質膜を作製した。この膜の片方の表面に金属製のシャドウマスクを介し、２０ミクロンの間隔で平行に幅１００ミクロン、長さ５ミリメートル、厚さ０．３ミクロンの金電極対（対向電極）を真空蒸着で形成することで水蒸気センサ６を作製した。
このようにして作製した水蒸気センサ６を、実施例１と同様の、ろ紙及び平均孔径０．４５ミクロンの疎水性多孔質樹脂膜を積層したシートの疎水性多孔質樹脂膜上に、金電極を形成した面と反対の面を接触させるように配置した。水蒸気センサ６の金電極対に、１Ｖの電圧を連続的に印加した状態で、ろ紙に極少量の水滴を滴下し湿潤させ、疎水性多孔質樹脂膜を介して上昇する水蒸気に対する水蒸気センサ６の出力電流値の変化、およびろ紙の湿潤の程度を示す伝導度の時間変化を一定の時間間隔で同時測定した。その結果を図１３（ａ），（ｂ）に示す。
実施例４の水蒸気センサ４と同様に、図１３（ｂ）に示されるろ紙の湿潤の変化に対応した、蒸散水蒸気量の増減に対応した出力電流値の変化が確認されたが（図１３（ａ））、水蒸気センサ４（図１１参照）と比較して、平均孔径の大きいフッ素樹脂膜を母材とした場合には蒸散水蒸気量の増減に対応した電流値の変化が小さくなった。
なお、本発明は、以上の実施例に限定されることなく、本発明の技術範囲にしたがって種々の設計変更をすることができる。
実施例４の水蒸気センサ４と同様に、図１３（ｂ）に示されるろ紙の湿潤の変化に対応した、蒸散水蒸気量の増減に対応した出力電流値の変化が確認されたが（図１３（ａ））、水蒸気センサ４（図１１参照）と比較して、平均孔径の大きいフッ素樹脂膜を母材とした場合には蒸散水蒸気量の増減に対応した電流値の変化が小さくなった。
なお、本発明は、以上の実施例に限定されることなく、本発明の技術範囲にしたがって種々の設計変更をすることができる。
Claims (7)
- 有機半導体材料が付着した多孔質の柔軟性を有する薄膜の片方の表面に対向電極を形成させた水蒸気センサであって、有機半導体材料が付着する前の薄膜の多孔質の孔の内壁表面は、親水性を有し、付着される有機半導体材料は、親水部と疎水部とを有するものであることを特徴とする水蒸気センサ。
- 請求項１に記載の水蒸気センサにおいて、前記薄膜は、側鎖にフッ素置換基を有する高分子材料であることを特徴とする水蒸気センサ。
- 請求項１又は２に記載の水蒸気センサにおいて、前記対向電極は、平行方向に一定のギャップを有して配置されていることを特徴とする水蒸気センサ。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の水蒸気センサにおいて、前記有機半導体材料は溶媒溶解性を有するものであることを特徴とする水蒸気センサ。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の水蒸気センサの製造方法において、多孔質の薄膜基材を有機半導体材料の溶液に浸漬させることで、該有機半導体材料を多孔質中に浸透させて、薄膜基材に付着させ、該薄膜基材の片方の表面に対向電極を形成することを特徴とする水蒸気センサの製造方法。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の水蒸気センサの電極に電圧を印加し、その際流れる電流量から、水蒸気センサにおける水蒸気量を検出することを特徴とする水蒸気測定装置。
- 葉の気孔から蒸散する水分を検出する植物の蒸散量測定方法において、請求項６に記載の水蒸気測定装置の前記水蒸気センサを、電極面とは反対の面を植物の葉の裏面に密着するように取り付けて、葉の気孔から蒸散する水分を検出することを特徴とする蒸散量測定方法。
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