JP5878283B2 - 一体型センサアセンブリ及びその形成方法 - Google Patents

Description

本発明は概して検出部材、検出装置および検出システムに関し、特に、非金属の一体型センサ配線（相互接続）部材、一体型センサ配線（相互接続）装置および一体型センサ配線（相互接続）アレイ、並びにこれらの製造方法および応用に関する。

医療、娯楽、エレクトロニクス業界やその他の関連業界において、広範囲の電気試験、電気測定、電気制御用途に高性能な接点、配線、センサ、プローブなどを使用することに大きな関心が寄せられている。

例えば、１０年前には、研究者にとって関心のある消化作用の電気化学的特性を研究するため、被験犬の胃の中に純粋炭素繊維（カーボンファイバ）製の細径導線状マイクロプローブや微小電極が挿入されていた。さらに最近では、ウサギの網膜の光刺激による電気活動を調査するため、炭素繊維アレイを備えた微小電極が使用されている。

特許文献１及び特許文献２は、人間の頭部に弾性キャップ等の保持手段により保持及び配置される非磁気接続センサのアレイを記載している。センサは脳の組織及び機能を測定するために用いられる。特許文献３に記載された電気配線装置は、金属被覆炭素繊維を含み、半導体チップ及び関連するパッケージ化アセンブリなどの電子部品に入出力される電子信号を測定するプローブのアレイとして好適に使用できる。

従来の炭素繊維関連センサ装置は、小径の絶縁導線の一端に接触センサを備えており、絶縁導線内には、例えば、炭素繊維マルチフィラメントのコア要素を備えていてもよい。この接続用導線は、他方の端子端に金属製ピンコネクタを備えた状態で構成されている。接触センサは、相対的に大径の軟質ゴム鞘の中に配置取り付けされており、ゴム鞘は、センサ接触先端と被験体との間に接触荷重力を付与するのに役立つ。接触センサを導線のコア導体の自由端に接合するため、超音波溶接や熱溶接が使用されている。

米国特許第５２９１８８８号明細書 米国特許第５３４８００６号明細書 米国特許第７２２０１３１号明細書

しかしながら、以下の理由により問題がある。第一に、導線コアと接触センサとの接合、そしてまず間違いなく接触センサとゴム鞘との接合にも使用される超音波溶接や熱溶接は、その接合部が比較的弱く、損傷を受けやすいため、強固ではない。その後に電気的故障や機械的故障が多発して、アセンブリの短命化を招いたり、高価な交換部品が多数必要となる可能性がある。例えば、目的のアレイに構成されたときに初期に故障するセンサアセンブリもあれば、普段の過酷な取り扱い、洗浄、使用から早期に故障するセンサアセンブリもある。第二に、溶接法は少量の実験室規模の製造に適していることは証明されているが、大規模な製造量を実現するには難題がある。

したがって、非金属製の一体型センサ・配線アセンブリおよびそれに関連するアレイ、並びにそれらの製造方法および検出システムへの応用を提供する必要がある。

上記課題に鑑み、本発明の第一の態様は、一体型センサアセンブリであって、配線部材と、前記配線部材に沿う任意の位置で前記配線部材から延出され、前記配線部材と相互に電気的に接続された少なくとも１つのセンサ部材とを備え、前記少なくとも１つのセンサ部材と前記配線部材のそれぞれが、高分子と、実質的に非金属のコア要素を備えることを特徴とする。

第一の態様において、信号を伝送する前記配線部材に接続されたコネクタ部材をさらに備え、前記コネクタ部材が、一体化された多繊維複合材コネクタからなっていてもよい。

本発明の第二の態様は、一体型センサアセンブリを形成する方法であって、第１の部分と第２の部分を備えるとともに、実質的に非金属の１本以上のフィラメントを備え、１×１０^-4〜１×１０¹⁰Ω・ｃｍの範囲の電気抵抗率をもつコア要素を準備し、前記コア要素の前記第１の部分を高分子と複合化し、前記コア要素の前記第２の部分の周りに少なくとも１つの外被帯を形成すること、を含むことを特徴とする。

本発明の第三の態様は、一体型センサアセンブリを形成する方法であって、１以上の非金属ファイバートウを備えるコア要素と、１種類以上のバインダ高分子を備える複合材要素を形成し、前記複合材要素の１つ以上の次元寸法を小さくすることによって前記複合材要素の一部を成形し、前記複合材要素の前記成形部分の上に１個以上の外被帯を被覆してセンサ部材を形成すること、を含むことを特徴とする。

本発明の第四の態様は、一体型センサアセンブリを形成する方法であって、少なくとも１種類の非金属ナノ構造からなるフィラメントを１本以上備えたコア要素の上に高分子被覆層を備えた高分子被包部材を形成し、前記高分子被包部材の少なくとも一端から前記高分子被覆層の一部を除去することによって、前記コア要素の対応する端部を露出させ、前記コア要素の前記露出した端部から、接点またはプローブとして使用される先端領域を形成すること、を含むことを特徴とする。

本発明の実施形態に係る、一体型センサアセンブリを含む例示的な検出システムを示す図である。 本発明の実施形態に係る、例示的な一体型センサアセンブリのアレイの一部を示す図である。 本発明の実施形態に係る例示的な一体型センサアセンブリの製造過程の様々な段階を示す図である。 本発明の実施形態に係る例示的な一体型センサアセンブリの製造過程の様々な段階を示す図である。 本発明の実施形態に係る、例示的な一体型センサアセンブリの製造過程の様々な段階を示す図である。 本発明の第二の実施形態に係る、例示的な一体型センサアセンブリの製造過程の様々な段階を示す図である。 本発明の第二の実施形態に係る、例示的な一体型センサアセンブリの製造過程の様々な段階を示す図である。 本発明の第二の実施形態に係る、例示的な一体型センサアセンブリの製造過程の様々な段階を示す図である。 本発明の第三の実施形態に係る、例示的な一体型センサアセンブリの製造過程の様々な段階を示す図である。 本発明の第三の実施形態に係る、例示的な一体型センサアセンブリの製造過程の様々な段階を示す図である。 本発明の第三の実施形態に係る、例示的な一体型センサアセンブリの製造過程の様々な段階を示す図である。

例えば、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａから図２Ｃ、図３Ａから図３Ｃおよび図４Ａから図４Ｃは、一体型センサアセンブリの材料、装置およびアレイ、並びにそのような装置やアレイを検出システムにおいて形成し使用する方法を提供する。

開示された一体型センサアセンブリはあらゆる検出システムで使用可能である。検出システムは、例えば、細胞や組織の一団や小集団群から同時に発せられる比較的多数の信号を記録するなど、細胞レベルや組織レベルの信号を検出し、記録するのに役立つ。また、検出システムは、適切な先端部被覆膜と組み合わせてｐＨや、無機および有機化学薬品を含む特定の化学薬品や、対象となっているその他の条件、例えば、Ｘ線などの放射エネルギーの有無や量などに反応させるようにする場合にも役立つ。同様に、開示された検出システムは、例えば、検査環境内に同時に存在するＸ線、磁石または電磁エネルギーによる信号干渉なく検出が行われる必要がある国土安全保障用途において役立つ。

一実施形態では、センサ部材は、適切に可撓性で導線状の非金属炭素繊維系配線部材と完全に一体化された、非金属製非双方向型非侵襲性センサ部材であり得る。

図１Ａは、本発明の教示にかかる例示の検出システム１００を示す。

図１Ａに示すように、検出システム１００は、例えば、一体型センサアセンブリ１３５と、信号処理装置１５５を備えることができる。被験体１０５も図示されている。

被験体１０５には、例えば、検知や検出の必要がある、対象となっているあらゆる被験体が含まれ得る。被験体１０５としては、人間や植物や動物の被験体、例えば、眼細胞被験体や、細胞レベルまたは組織レベルで計測される診断検出用および／または薬物送達用のあらゆる生物学的種など、生物の被験体も無生物の被験体も含まれ得る。あるいは、被験体１０５は、合成の被験体、例えば、人工筋肉や、電気活性高分子などの化学合成品であってもよい。

一体型センサアセンブリ１３５は、被験体１０５に接触した状態で操作可能に配置され、センサ部材２０と一端で接続する配線部材１０をさらに備えることができる。具体的には、一体型センサアセンブリ１３５のセンサ部材２０が、被験体１０５と操作可能に接続される。一実施形態では、センサ部材２０は、センサ部材２０と被験体１０５との間の少なくとも１つの接触面間に接触荷重力を確実に付与することができる、自己荷重とバネ状特性をもたらし得る。

信号処理装置１５５には、例えば、測定機器、表示装置、送信装置および／または、記録装置など、様々な電気装置が含まれ得る。したがって、信号処理装置１５５としては、以下に限定されるものではないが、レジスタ、液晶表示装置（ＬＣＤ）、マルチチップ・モジュール、プリント回路基板（ＰＣＢ）、ＲＦＩＤラベル、無線チップ、プリント配線板（ＰＷＢ）などが挙げられる。

センサ部材２０によって検出された検出信号は、一体化されている配線部材１０（例えば、導線状部材）を介して、その信号を測定、表示または記録する適切な信号処理装置１５５との間で送受信されるか、および／または信号処理装置１５５に伝送される。

センサ部材２０は、配線部材１０に接続されるか、および／または配線部材１０から延出される。本明細書中でいう「センサ」や「センサ部材」とは、物理的、電気的または電子的刺激に反応し、結果として生じる信号やインパルスを測定、監視、制御などのために送信する装置を指す。

センサ部材２０は、例えば、配線部材１０と比較して相対的に小さく、配線部材１０の一端に配置されてもよいし、あるいは配線部材１０に沿う適切な位置、例えば、配線部材１０の長さ方向に沿う適切な位置であればどこに配置されてもよい。

センサ部材２０は、被験体１０５を検知し、検出するために使用される。センサ部材２０は、例えば、接触センサであってよい。センサ部材２０は、例えば、ある長さの導電性繊維材料などのコア要素と、コア要素上に外被層（本明細書では被覆層とも鞘層ともいう）として形成および／またはコア要素内にバインダ材料として複合化された高分子材料を備えている。

本明細書中でいう「配線部材」とは、電子装置や電子部品を接続するために使用され、電流信号、電位信号、熱信号、音響信号、光信号などの信号を通すことができる部材を指す。配線部材１０は、コア要素と、コア要素上に外被層（被覆層または鞘層）として形成および／またはコア要素内にバインダ高分子として複合化（合成）された絶縁材料を備えている。

本明細書に開示されているように、コア要素が高分子材料、例えば、上述したバインダ高分子や絶縁材料と複合化されると、複合材要素が形成される。例えば、繊維状の半導体要素または導体要素などのコア要素が適切な高分子に含まれるようにして、抵抗特性を有する複合材要素が形成される。

センサ部材２０および配線部材１０のそれぞれのコア要素を被覆および／または複合化するために使用される高分子材料としては、以下に限定されるものではないが、エポキシ樹脂、アセタール、ポリエステル、イオン性ゴム、非イオン性ゴム、イオン性ポリウレタン、非イオン性ポリウレタン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレン酸化物、ポリカーボネート、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン三元重合体、シリコーン、フッ素重合体、ポリオレフィン、ガラス、セラミックスなどが挙げられる。使用される高分子材料は、織物用フィラメントや織物用糸などの繊維やフィラメントを含むことができ、例えば補強性、耐摩耗性または可撓性を、外側層に付与するように、布状もしくは紙状の要素に構成されてもよい。この場合、フィラメントや糸は、ポリエステル、ガラス繊維、ナイロン繊維などの合成繊維であってもよく、綿や絹などの天然繊維であってもよい。

センサ部材２０および配線部材１０のそれぞれのコア要素に高分子材料を被覆および／または複合化する方法として、例えば、溶融熱成形、溶融引き抜き加工、溶液塗布、溶液浸漬被覆、スピン被覆、電着、共押し出し成形、静電吹き付け被覆など、様々な方法を使用することができる。

例示の一実施形態では、液相の高分子材料をコア要素に塗布した後、凝固処理を施すことによって、コア要素を取り囲んで形成された外被層（被覆層）、あるいはバインダ高分子または絶縁材料の内部にコア要素を含んで形成された複合材が作成される。凝固方法としては、例えば、硬化、凍結、溶媒蒸発やそれらの組合せ、あるいは開示されたセンサ部材および／または配線部材を形成するのに適した他の手段が挙げられる。例示の一実施形態では、１本もしくは複数本の炭素繊維製コア要素の自由長部が、エポキシ樹脂、シリコーン、ポリウレタン、フッ素重合体などの適切なバインダ（結合材）樹脂で凝固される。コア要素が中空の要素として成形され、その中空部分が気体または液体の送達および／または試料採取を可能にするようになっていてもよい。

凝固されると、高分子と結合した上記例示の繊維領域が、所望の最終構成、サイズおよび形状を得るために、例えば、機械的せん断、ウォータージェット切断および／またはレーザ切断を利用した切断やトリミングなどの二次工程によって加工されることができる。より大型のセンサ部材や配線部材の場合、二次工程としては、例えば、層貼り合わせ、接着剤貼り合わせ、インサート成形、オーバー成形などが含まれてよい。

センサ部材２０用コア要素（すなわち、センサコア要素）および配線部材１０用コア要素（すなわち、配線コア要素）は、同じものであっても別のものであってもよい。一実施形態では、センサコア要素は、配線部材１０に沿う任意の位置で配線部材１０の絶縁層から突出するように構成される。他の実施形態では、センサコア要素は、配線部材１０のコア要素の延長部分（例えば、自由長部）である。その後、センサコア要素に適切な高分子が結合されて、センサ部材２０が形成される。センサコア要素と配線コア要素は、一体型センサアセンブリ１３５内のセンサ部材２０と配線部材１０の構成のいかんにかかわらず、互いに電気接続される。例えば、センサ部材２０と配線部材１０の各コア要素は、約１×１０^-5から約１０×１０¹²Ω・ｃｍの範囲の電気抵抗率をもっていてよい。あるいは、配線部材は、電気容量および／または電気インピーダンスをもっていてよい。配線部材は、その抵抗特性と操作的に連動して、センサ部材２０から発せられた信号をチューニング、緩衝記憶、調整、フィルタまたは管理するように作用し、その信号を信号処理装置１５５の受信要件に合致するのに相応しいように調整するか、さもなければ合致させることができる。

配線部材１０用コア要素および／またはセンサ部材２０用コア要素は、十分に可撓性で、耐久性があり、加圧滅菌などの殺菌洗浄に関連する手作業あるいは自動の取り扱い工程とともに耐えうるようになっていてよい。配線部材１０用コア要素および／またはセンサ部材２０用コア要素は、磁場、放射線場または電磁場に対して透過性であるか、少なくとも非双方向（相互作用）性であってよい。また、配線コア要素および／またはセンサコア要素は、十分に導電性であってよく、長尺で使用されてもよい。

配線部材１０用コア要素および／またはセンサ部材２０用コア要素としては、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）フィラメント、窒化ホウ素ナノチューブフィラメント、不純物添加ケイ素繊維などの中実の単撚り線、および／または繊維束などの多重撚りフィラメントや、カーボンファイバートウなどの繊維束（fiber tow）がある。マルチフィラメントの実施形態の場合、同種あるいは異種の繊維やフィラメントが使用できる。

単撚りまたは多重撚りフィラメントは、実質的に非金属であり、以下に限定されないが、炭素繊維、窒化ホウ素繊維、ケイ素繊維、ホウ素繊維、不純物添加ケイ素繊維、ホウ素炭素複合（ｂｏｒｏｎ−ｃａｒｂｏｎ）繊維、ホウ素窒化物複合（ｂｏｒｏｎ−ｎｉｔｒｉｄｅ）繊維、炭化合成繊維、炭素ピッチ繊維、ポリアクリロニトリル炭素繊維、グラファイトなどの導電性、半導電性または半抵抗性材料から製造されることがある。単撚りまたは多重撚りフィラメントは、肉眼の次元から顕微鏡的次元やナノスケール次元までの様々な次元尺度の材料から製造されることができる。

上記フィラメントには、例えば、少なくとも一次元が約１００ｎｍ以下のナノチューブ、ナノワイヤ、ナノシャフト、ナノピラー、ナノロッド、ナノスケールの板（例えば、ナノスケールのグラフェン板）、ナノ繊維、ナノニードル、ナノフィブリルやその他のナノ構造物もさらに含まれる。炭素のナノチューブ粒子などのナノサイズの充填剤粒子が、例えば、強度、可撓性、耐薬品性など、センサや配線の操作性をさらに改良するために使用されてもよい。例えば、配線部材１０用コア要素および／またはセンサ部材２０用コア要素は、ナノコンプ社（ニューハンプシャー州コンコード）から供給されるものなどの、１本または複数本のナノサイズのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）モノフィラメントを備えていてよい。ナノサイズのＣＮＴモノフィラメントは、高い機械的強度および／または小型化をもたらすことができる。

あるいは、配線部材１０用コア要素および／またはセンサ部材２０用コア要素は、１本以上の独立した炭素フィラメント（または繊維）を含んだカーボンファイバートウを備えていてもよい。例えば、約１０００本の独立したフィラメントを有するカーボンファイバートウが、本発明の教示にしたがって使用されてもよい。他の実施形態では、コア要素は、例えば、約５００本以下の独立したフィラメントを有するカーボンファイバートウを含んでいてもよい。

配線部材１０用コア要素および／またはセンサ部材２０用コア要素は、少なくとも一次元が、例えば、約５００μｍ以下であってよい。別の実施例では、上記少なくとも一次元は、約０．５μｍから約５００μｍの直径が含まれていてよい。さらに別の実施例では、上記少なくとも一次元には、約５００ｎｍ以下、例えば、約１ｎｍから約５００ｎｍの範囲の直径が含まれていてよい。

配線部材１０は、例えば、本質的にあるいは部分的に非金属および／または非磁性の適切な炭素繊維またはカーボンファイバートウの任意のもので形成されてよい。例えば、配線部材１０は、導電性炭素コアとこの炭素コアを取り囲んで覆う電気絶縁性のエラストマ外被を有する複合材を備えた遮蔽導体ユニットであってよい。一実施例では、コア繊維の外側層の少なくとも一部、外被の内側層の少なくとも一部、またはその両方を被覆する、ニッケル、金、鉛、銅、スズ、銀、パラジウム、白金、またはそれらの混合物、配合物や合金などの非常に薄膜の金属層が存在してもよい。薄膜層は、約０．１オングストロームから約１μｍの範囲の厚さを有することができる。コアを被覆する金属層と外被を被覆する金属層は、特定の用途による必要に応じて、同じであっても異なってもよい。

配線部材１０は、約１×１０²Ω・ｃｍと約１×１０¹⁰Ω・ｃｍの間の抵抗率をもつ部分炭化ポリアクリロニトリルフィラメントを使用した導電性コアを有する導線であってもよい。フィラメントは電気絶縁性外被層に包まれることができる。そのような配線用導線は、約２，０００本から約５０，０００本のフィラメントからなるコアを有していてよい。外被層としては、シリコーンなどの絶縁性エラストマ材料、および／またはポリエステル、ポリ塩化ビニルなどの絶縁性高分子材料が挙げられ得る。導電性フィラメントコアは、約５μｍから約５０μｍの直径を有することができる。

別の実施例では、配線部材１０として、例えば、リード線、分路線、フューズ線や、当業者にとって既知のその他の配線部材が挙げられる。

再び図１Ａに示すように、一体型センサアセンブリ１３５は、配線部材１０の一端、例えば、センサ部材２０と反対側の端部に設けられたコネクタ部材（不図示）をさらに備えていてよい。コネクタ部材は、センサ部材（配線部材とともに）と信号検出装置１５５との間の接続を可能にするコネクタなど、適切な終端部であれば何でもよい。

図１Ａの一体型センサアセンブリ１３５は、センサ部材のアレイおよび／または一体型センサアセンブリのアレイとして、大量生産することができる。例えば、図１Ｂは、本発明にかかる例示的な一体型センサアセンブリアレイの一部を示す。図示のように、アレイは複数個のセンサアセンブリ１３５を含むことができ、アセンブリ１３５のセンサ部材によって被験体１０５を検出するために図１Ａに示す開示の検出システムで使用することができる。検出信号はその後、アセンブリ１３５の配線部材によって信号処理装置１５５に伝送され得る。

例えば、細胞レベルの検出にアレイを使用する際には、センサ部材２０、配線部材１０および／またはコネクタ部材などを含む例示のアセンブリ１３５の各部材の小型サイズが使用されることがある。一体型センサアセンブリのアレイは、例えば、約２個から約３０００個以上の個別のセンサやアセンブリ１３５を含んでいてよい。

図２Ａ〜図２Ｃは、本発明にかかる例示の一体型センサアセンブリ２００Ａ〜２００Ｃの形成時の様々な段階を示す。

図２Ａに示すように、カーボンファイバートウなどのコア要素２００Ａが提供され得る。コア要素は、例えば、約１×１０^-4から約１×１０¹⁰Ω・ｃｍの範囲の電気抵抗率をもつ抵抗性カーボンファイバートウであり得る。カーボンファイバートウは、例えば、楕円形や丸みのある形などの円形断面形状を有することができる。図示の例では、カーボンファイバートウは、一体型センサアセンブリ２００のセンサ部材用コア要素および／または配線部材用コア要素として使用される。図示のように、コア要素２００Ａは、センサ部材用の第１の部分２０２（例えば、短尺部分）と配線部材用の第２の部分２０６（例えば、長尺部分）（これらは逆であってもよい）を含む２つの部分または長さ部分に分けられる。

図２Ｂにおいて、その後、適切なバインダ高分子または絶縁材料と例示のカーボンファイバートウ２００Ａの第２の長さ部分２０６（例えば、長尺部分）とを含む複合材部分２１０が形成され得る。バインダ高分子または絶縁材料は、複合化工程を促進させるために、揮発性溶媒などの溶媒をさらに含んでもよい。当業者にとって既知の様々な複合化方法が使用可能である。例えば、複合材部分２１０は、エポキシ樹脂バインダ（例えば、ＥＰＯＮ８６２エポキシ樹脂）と揮発性溶媒（例えば、トルエン）と適切な架橋剤（例えば、ｌｉｎｄａｘ（リンダウ・ケミカルズ社））の混合物を例示の長尺の長さ部２０６に含浸させることによって形成することができる。揮発性溶媒は、湿潤工程および含浸工程のみならず、それに続く、例えば、カーボンファイバートウのバインダ高分子含浸部分の乾燥時および／または硬化時の蒸発工程をも促進させることができる。

使用されるバインダ高分子次第では、乾燥または硬化工程は、例えば、段階的な工程を含み得る。例えば、エポキシ樹脂が使用される場合、含浸部分は、最初に室温で蒸発させられた後、例えば対流式オーブン内で、約６０℃で１時間乾燥させられる。さらに、その温度を約１３０℃まで上げ、硬化が約１時間行われる。使用されるバインダ高分子および／または溶媒次第では、その他の硬化のスケジュールも可能である。

形成された複合材部分２１０は、細く、繊維に富み、中実で、高い機械的強度を有することができる。例えば、複合材部分の厚さおよび／または幅は約１０μｍから約１，０００ｍｍであってよい。複合材部分は、ナノスケールｎｍ（例えば、１，０００ｎｍ未満）や１，０００ｍｍ超など、他の厚さおよび／または幅であってもよい。例示の一実施形態では、複合材部分は矩形断面を有している。他の実施形態では、円形や丸みのある形状であってよい。他の実施形態では、複合材部分が、例えば、長さ方向の軸に沿って圧縮されたときにバネ状の弾力的な反応を示してもよい。

複合材部分２１０の形成時に、残りの長さ部、すなわち、当初のコア要素２００Ａ（例えば、カーボンファイバートウ）の第１の部分２０２（例えば、短尺の長さ部）は、この工程の間本質的に変わらない状態である。

図２Ｃにおいて、例示の炭素繊維２００Ａのうち、複合材が形成されていない第１の（例えば、短尺の）部分２０２を覆うように、１以上の外被帯２２８が形成される。コア要素２００Ａの第１の長さ部分の前記外被部分は、一体型センサアセンブリ２００Ｃのセンサ部材２２０を形成することができる。

外被帯２２８を形成する前に、コア要素２００Ａ（例えば、カーボンファイバートウ）の短尺の長さ部分２０２が、所望の断面形状と所望の寸法をもつように加工されることもある。例えば、第１の長さ部分２０２は、機械的圧縮により加工されて、その形状を、例えば、楕円に近い構成から薄く平たいリボン状の構成に変えることができる。平たいリボン状の構成は、例えば、矩形構成を有する幅広の薄肉層であってよい。結果として得られるセンサ部材２２０は、平たく末端が平滑な構成を有する。

その後、コア要素２００Ａ（例えば、カーボンファイバートウ）の短尺の長さ部２０２の上に、外被帯２２８が、以下に限定されないが、溶液塗布、浸漬被覆、引き抜き被覆、環状被覆（ｒｉｎｇ ｃｏａｔｉｎｇ）などの様々な被覆技術によって形成されてよい。外被帯２２８は、コア要素２００Ａよりずっと大径の絶縁性外被層である。

第１の長さ部分２０２上に形成された外被帯２２８を有するセンサ部材２２０である例示の薄肉の矩形状領域は、１つまたは複数の二次工程によって寸法や形状がさらに変更されることがあり得る。二次工程としては、特定用途向けの様々な所望の形状を形成するための、例えば、機械カッタ、機械的せん断力、形削り盤、旋盤、ウォータージェットカッタおよび／またはレーザカッタを使うなどする切断やトリミングを含むことができる。二次工程後には、最終的なセンサ部材は、例えば、さらに小型になったり、独自の機能を含んだり、より可撓性の要素を有したりすることができる。

センサ部材２２０は、特定の用途次第では、配線部材２１０よりも直径や長さが大きくてもよい。例えば、コア要素２００Ａの長尺部分２０６上に外被層２２８が形成されてセンサ部材が形成され、コア要素２００Ａの短尺部分２０２がバインダ高分子と複合化されて配線部材が形成されてもよい。

図３Ａ〜図３Ｃは、本発明の教示にかかる別の例示の一体型センサアセンブリ３００の形成時の様々な段階を示す。

図３Ａにおいて、１種類以上のバインダ高分子によって固定または複合化された、１個または複数個のカーボンファイバートウなどからなるコア要素を含む複合材要素３００Ａが形成される。

複合材要素３００Ａは、以下に限定されないが、ロッド、シャフト、シート、ピラー（柱状）、パイプ、チューブ、中空体など、様々な複合材成形技術により得られる半製品または完成品などの形をとることができる。例示の一実施形態では、複合材要素３００Ａは、例えば、約５０μｍから約５ｍｍの直径をもつ複合材ロッドである。

複合材要素３００Ａは、複合材ロッドであり、円形やその他の形状など、様々な所望の断面形状をもつことができる。複合材要素３００Ａは、商業用プルトルージョン（連続式引抜成形）法（ＤＦＩ社、ノースカロライナ州ヒッコリー）を用いて形成することができる。様々な実施形態において、複合材要素３００Ａは、図２Ａ〜図２Ｃの装置および工程に使用される揮発性溶媒のトルエンなど、いかなる揮発性溶媒も含まずともよい。

複合材要素３００Ａは、機械的強度が高く、可撓性を有することができる。複合材要素３００Ａは、複合材要素の約１重量％〜約９９重量％を占めるカーボンファイバートウと、複合材要素の約１重量％〜約９９重量％を占めるバインダ高分子を含んでいてよい。別の実施例では、複合材要素３００Ａは、複合材要素の約９０重量％〜約９８重量％を占めるカーボンファイバートウと、複合材要素の約２重量％〜約１０重量％を占めるバインダ高分子を含み得る。

開示された一体型センサアセンブリを作成するため、複合材要素３００Ａは、センサ部材および配線部材のうちの一方を作成するための第１の長さ部分３０２と、センサ部材および配線部材のうちの他方を作成するための第２の長さ部分３０６を備えることができる。

図３Ｂにおいて、複合材要素３００Ａの第１の長さ部分３０２が、所望の断面形状と寸法と可撓性を確保するように加工される。例えば、複合材要素３００Ａの第１の長さ部分３０２は、フライス切削されて（例えば、ニューハンプシャー州ナシュアのレゾネチックス社によってレーザフライス切削されて）減径されることで、センサ部材３２０（図３Ｃ参照）を作成するために使用できるようになる。必要ならば、レーザまたはその他の適切なウォータージェット加工を利用してコア繊維からバインダ樹脂を除去又は削減することにより、第１の長さ部分３０２の可撓性を向上させることもできる。複合材要素３００Ａの第１の長さ部分３０２は、元の直径の約１％〜約９９％に相当する径に減径されてもよい。例示の一実施形態では、センサ部材を形成するため、短尺の長さ部分が、元の直径が約０．０２２インチの複合材ロッドから直径約０．０１２インチになるように加工される。

図３Ｃでは、複合材要素３００Ａのフライス加工された第１の長さ部分３０２（例えば、短尺部分）の上に１以上の高分子外被３２８を被覆する（ｏｖｅｒ−ｃｏａｔｉｎｇ）ことによって、センサ部材３２０が形成され得る。

フライス加工された第１の短尺の長さ部の領域３０２に液状の高分子被膜を塗布した後、乾燥させることによって、第１の長さ部分３０２の上に高分子外被層３２８または被覆層が形成され得る。被覆層に使用される高分子次第では、紫外光などの放射を利用して液体高分子を硬化させ、複合材要素周囲の高分子を凝固させることができる。

１以上の高分子被覆層３２８の付与は、複合材要素３００Ａから加工された第１の長さ部分に対して部分的であっても全体にわたっていてもよい。例えば、高分子被覆層３２８は、複合材要素３００Ａの繊維リッチ（多繊維）な先端領域３０１から長さＬ０だけ離れるとともに第２の長さ部分３０６から長さＬ１だけ離れて位置する幅狭の帯体として形成され得る。例示の一実施形態では、高分子被覆帯は、第１の長さ部分の加工された繊維リッチ先端領域から約３ｍｍ〜４ｍｍ（Ｌ０）の距離で、フライス加工された第１の領域よりも厚みのある複合材ロッドの第２の領域から約５〜６ｍｍ（Ｌ１）の距離の位置にある。

これにより、被覆層が存在しない領域は、被覆領域と比べて相対的に可撓性を有することができる。繊維リッチ（多繊維）複合材の周面の少なくとも一部に形成された高分子被覆層３２８は、いかなる所望の意匠ももつことができ、第１の長さ部分３０２のどの位置にも設けられてもよく、これにより応用例の実現可能性をもたらす。さらに別の様々な実施形態では、高分子被覆層は、その形成時または形成後の他の付属装置や付属機構との位置合わせ、配置および／または取り付けを容易にする橋渡し役（インターフェース）となる。

高分子被覆領域から突出する最先自由端３０１は、センサ部材３２０の接点用に適した繊維リッチ部材を代表するものである。これらセンサの接触面積は、例えば、約０．１ｍｍ²〜約２０ｍｍ²の範囲内になる。残りの複合材部分３０６は、配線部材３１０として使用され得る。

例えば、図２Ａ〜図２Ｃおよび／または図３Ａ〜図３Ｃに示すような一体型センサアセンブリは、コネクタ部材（図２Ａ〜図２Ｃおよび図３Ａ〜図３Ｃには図示せず）をさらに取り付けることもできる。コネクタ部材は、関連技術で知られているような適切な終端コネクタであれば何でもよく、配線部材２１０および／または配線部材３１０の他端に配置される。コネクタ部材は、測定機器、表示装置、送信装置および／または記録装置などの所望の信号処理装置（図１の１５５参照）にさらに接続される。例示の一実施形態では、コネクタ部材は、金属圧着式コネクタ、たる型ピンコネクタ、摩擦クランプ式バナナピン、当業者にとって既知の適切なコネクタ、その他の従来のコネクタであってよい。

コネクタ部材は、図２および図３で述べたセンサ部材２２０、３２０に似た、一体型センサアセンブリと一体の繊維リッチな複合材コネクタであってよく、配線部材２１０、３１０の他端に、繊維リッチ複合材センサ部材の作成に使用するのと同じ複合化工程によって製造される。コネクタ部材は、その先端および／または繊維リッチ複合材が壁を形成する中空に成形された中心部に配置されたテーパ付きのピン状突起を有していてよい。一実施形態では、コネクタ部材の端子端が、適切な信号処理装置に半田付けされてもよい。別の実施形態では、中空のコネクタ端部が、真空源および／または圧力源に接続されてもよく、プローブ側の別の端部が露出、封止または開閉制御された（ｇａｔｅｄ）状態で流体系に接続されてもよい。

配線部材、センサ部材および／またはコネクタ部材を備えた開示の一体型センサアセンブリは、高性能を実現することができ、肉眼で見えるサイズでも、顕微鏡サイズでも、ナノスケールのサイズでも提供される。

例えば、小型のセンサおよび／またはアクチュエータや刺激装置、および／またはそれらの大型アレイが、各センサに高性能を持たせて形成され、細胞レベルでの信号探査、信号操作、信号刺激ができるように、接触面積を約５００μｍ²未満の範囲内とする顕微鏡サイズで容易に製造されることができる。別の実施形態では、小型センサおよび／またはそれらのアレイの接触面積が約１μｍ²未満であってよい。

例えば、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノシャフト、ナノピラー、ナノロッド、ナノニードルなどのナノスケールの繊維やフィラメントが、図２Ａ〜図２Ｃや図３Ａ〜図３Ｃに示すアセンブリに使用されて、小型センサ部材やそのアレイが形成されることができる。

図４Ａ〜図４Ｃは、本発明の教示にかかる別の例示の一体型センサアセンブリおよびそのアレイの形成時の様々な段階を示す。

図４Ａに示すように、ナノスケールのコア要素４０５を内蔵した高分子被包部材４００Ａが形成される。一実施形態では、ナノスケールのコア要素４０５は、１本または複数本のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）連続フィラメントや、ナノサイズ粒子状圧粉などのナノ構造製の他のフィラメントを含み得る。例示のＣＮＴフィラメントは、十分な強度、化学的不活性、Ｘ線透過性、透磁性、導電性をもたらすことができ、市販されている。ＣＮＴ連続フィラメントは、例えばニューハンプシャー州コンコードのナノコンプ社から供給されている。例示のＣＮＴコア要素を被包するために作成される高分子層は、本明細書に開示されているような適切な絶縁性高分子被覆層４０７や外被層であれば何でもよい。

図４Ｂにおいて、高分子被覆層４０７の一部が高分子被包部材４００Ａの一端（例えば、４０１）の少なくとも一部から除去されて、ナノスケールコア要素４０５の一部が露出される。高分子被覆層の一部を除去して、例えば、モノフィラメントＣＮＴコアを露出させるために、例えば、レーザ被覆剥ぎ取り法など、様々な既知の方法が使用され得る。例示の一実施形態では、約６ｍｍ分の絶縁性外被層が、例えば、長さ約２ｍの高分子被包ＣＮＴ部材の一端または両端から除去される。

図４Ｃにおいて、露出したモノフィラメントＣＮＴコアが加工され、図１Ａに示す検出システムの被験体１０５など、検出システムの他の装置と接続させるための接点やプローブとなるよう成形された先端領域４０３が形成される。例示の一実施形態では、露出したナノスケールのコアが、例えば、アークアブレーション（焼灼）、レーザアブレーションやその他の適切な加工法を用いて、針状の尖った先端領域を有するように形成される。

残りの高分子被包領域は、適切な終端を有する小型で一体型のセンサ部材兼配線部材として使用されてもよい。例えば、残りの高分子被包領域は、小型で一体型の非金属製、非磁性、非双方向性センサ兼配線を形成し、被験体を刺激するために光、磁気エネルギーまたは電磁エネルギーを同時に使用しながら、細胞レベルまたは組織レベルの特性を探査するのに使用可能である。装置４００Ｃの他端４１１は、モノフィラメントＣＮＴコアを露出させても露出させなくてもよいが、本明細書に記述された適切なコネクタ部材によって終端することができる。

様々な実施形態には、他の構成のセンサが含まれうる。例示的な一構成では、（図３Ａ〜図３Ｃに示すものと比較すると、ファイバートウではなく）比較対的多数の可撓性連続ＣＮＴ繊維が被包要素から突出される。これら可撓性連続ＣＮＴ繊維群の少なくとも一端は、その自由繊維群の短尺の長さ部分を適切なバインダ高分子と複合化し、先端領域を機械的に成形して薄肉断面の繊維リッチな複合材を作成することによって、終端処理されうる。形成された薄肉要素は可撓性であって、自己荷重センサ部材用に適したものになる。

別の例示の構成では、上述の第１の構成例と同様に、自由繊維群の短尺の長さ部が高分子被包部材の長さ方向に沿う一領域から突出しており、繊維群の自由長部が、高分子被覆層の少なくとも一部を除去することによって露出された後、高分子被覆層と同じかまたは異なる適切なバインダ高分子に含浸され、可撓性センサ部材を形成するように成形制御される。これにより、導線の長尺の長さ部に沿って複数のセンサまたは刺激領域が形成され得る。

別の例示の構成では、適切な高分子外被層を有する１本以上のナノサイズコアフィラメントを使用して、複合材が形成されてもよい。フィラメントの短尺の長さ部分が露出され、必要に応じて適切な被覆層と結合されても、必要に応じて適切な形状の接触センサや刺激領域に成形されてもよい。

図２Ａ〜図２Ｃ、図３Ａ〜図３Ｃおよび／または図４Ａ〜図４Ｃに示す装置など、多数の装置を各一体型センサアセンブリごとに同様の製造方法を用いてさらに組み合わせてアレイ群にすることにより、一体型センサアセンブリのアレイ群が形成される。各一体型センサアセンブリは、例えば、センサ部材、アクチュエータ部材、刺激装置部材、配線部材および／またはコネクタ部材を備えており、コネクタ部材が信号検出装置（例えば、図１Ａの１５５）と接続され、センサ部材の他方の接点側端部が被験体（例えば、図１Ａの１１５）と接続される。一体型センサアセンブリのアレイ用に、当業者にとって既知のリボン状多心ケーブルが使用されてもよい。この場合、例えば、多数本のＣＮＴフィラメントが、所望のフィラメント間隔を有するように引き揃えられた後、適切な外装被覆工程が同時に施されるように所定の位置に保持されることにより、高分子被覆層で被覆された多数のコア要素を有する高分子被包部材が形成される。

実施形態では、開示された一体型センサアセンブリ、アレイおよび関連する検出システムの材料、装置および方法は、例えば、製造の実現可能性、所望のサイズのスペクトル、最終的な商業装置の効率的で低コストの大量生産をもたらすことが可能であり、最終的な商業装置は、例えば、細胞レベルや組織レベルの測定に役立つとともに、適切な先端部被覆層との併用でｐＨや特定の無機または有機化学薬品の存在に反応させることができる。また、一体型センサは、検査環境内でＸ線、磁石または電磁エネルギーが同時に使用される国土安全保障用途において有用である。
＜実施例１＞
長さ約１ｍの抵抗性カーボンファイバートウ（ＭＴＬＳ社またはヘクセル社供給、３Ｋのトウのロット番号０４３として識別される）を使用し、トウの長さの約９８％が当初の状態で残存された、対象の一体型センサアセンブリの原型を形成した。カーボンファイバートウの当初の形状は、約０．５ｍｍ〜０．６ｍｍの直径をもちながら、長さ方向沿いに楕円からほぼ円に近い形の外観である。

約３０００本の約６μｍ〜８μｍ径の連続炭素繊維を含むカーボンファイバートウの長さ約６ｍｍの短尺部分が、長尺の繊維トウに付いたまま残され、センサ部材を作るために使用された。

約９０重量％の触媒添加ＥＰＯＮ８６２エポキシ樹脂を約１０重量％のトルエン溶媒に溶解させた混合物を繊維の長尺部分に含浸させた。その際、残りの短尺部分には、樹脂と溶媒からなる溶液がトウの長さ方向に沿って吸い上げられたり流れたりしないようにした。得られた試料を、十分な時間をかけてトルエンの大部分を蒸発させ、具体的には、約１５分間実験室の周囲条件下に放置し、その後、１ｍｍ厚のテフロン（登録商標）板（幅約１インチ、長さ２インチ）２枚の間に挟持し、空気循環炉内に置いて６０℃で１時間硬化させた後、１３０℃で１時間、後硬化させた。結果得られた繊維リッチの細い複合材端部は、中実で、非常に強度が高く、長さ方向の軸に沿う圧縮に対してバネ状の弾力的な反応を示した。その厚さは約０．０５ｍｍ、幅は約４ｍｍであった。当初のファイバートウの残りの短尺の長さ部分は、この工程の間本質的に変わらない状態であった。

上記乾燥後の繊維の塊を機械的に圧縮して、短尺領域の繊維を相対的に幅広の薄肉層に形成した。その目的は、この領域内の形状をほぼ楕円形から薄く、平たいリボン状の構成に劇的に変化させることであった。従来の実験室用電圧抵抗計（ＶＯＭ）を用いた電気導通試験を行って、複合材端部とファイバートウ領域とが電気的に相互に接続されていること、長さに関して正規化した場合に、何もなければ、両領域間に抵抗の変化がほとんど又は全く検出されないことを確認した。
＜実施例２＞
試料長約５００フィートの実施例１と同様の抵抗性カーボンファイバートウを、商業用プルトルージョン法（ＤＦＩ社、ノースカロライナ州ヒッコリー）を用いて、約０．０２２インチ〜０．０２３インチ（約０．５ｍｍ〜０．６ｍｍ）の直径をもつ断面円形の長尺の中実ロッドに形成した。実施例１と同様の熱硬化性エポキシ樹脂（ＥＰＯＮ８６２）をバインダ樹脂として使用し、繊維を断面円形のロッド状に固めたが、その際、トルエンは溶媒として使用しなかった。形成された複合材ロッドの試料は、そのうちの約９５重量％〜９８重量％を占める炭素繊維と、約２〜５重量％を占めるエポキシ樹脂を含むと推計された。ロッドは、自由ファイバートウほどの可撓性はないが、強度と可撓性のあるものであった。

ロッドの短尺の長さ部分をレーザフライス加工（ニューハンプシャー州ナシュアのレゾネチックス社）で直径約０．０１２インチまで減径した後、最先端に近い選択領域上に液状の高分子被膜（すなわち、端部停止フォトマスク）を塗布し、乾燥させ、紫外光で硬化させて、ロッド周囲の高分子を完全に凝固させた。
＜実施例３＞
本明細書に記載のアセンブリ用の適切な導線コア要素として機能するように十分な強度、化学的不活性、Ｘ線透過性、透磁性および導電性を提供する長さ約２０ｍの５０μｍ径カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）連続フィラメントをナノコンプ社（ニューハンプシャー州コンコード）から入手した。浸漬被覆によって、適切な絶縁性高分子被覆層が薄膜に作成され、ＣＮＴ導線コア要素が被包される。この導線の約２ｍの長さ部分が使用に備えることができ、従来のレーザ被覆剥ぎ取り法によって約６ｍｍ分の絶縁性外被層が一端または両端から除去される。一端側で露出したモノフィラメントＣＮＴコアは、アークアブレーションまたはレーザアブレーションによって加工され、被験体への接点となる針状の尖った先端領域に形成される。導線の他端は、プリント配線板ヘッダによって終端処理され、信号検出装置に接続される。

Claims (1)

1. 一体型センサアセンブリを形成する方法であって、
   少なくとも１種類の非金属ナノ構造からなるフィラメントを１本以上備えたコア要素の上に高分子被覆層を備えた高分子被包部材を形成し、
   前記高分子被包部材の少なくとも一端から前記高分子被覆層の一部を除去することによって、前記コア要素の対応する端部を露出させ、
   前記コア要素の前記露出した端部から、接点またはプローブとして使用される尖った先端領域を形成すること、
   を含むことを特徴とする方法。

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