JP6289454B2

JP6289454B2 - センサー素子、その製造方法、及びその使用方法

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Publication number: JP6289454B2
Application number: JP2015520214A
Authority: JP
Inventors: ステファンエイチ．グリスカ，; クシシュトフエー．レビンスキー，; マイケルシー．パラゾット，
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2033-06-03
Also published as: KR20150023785A; EP2864770B1; WO2014003979A1; EP2864770A1; CN104583763B; CN104583763A; KR102131314B1; JP2015525362A; US10267758B2; US20150168330A1

Description

本開示は、広くは検体蒸気の分析のために好適な静電容量型センサー素子に関する。

環境及び安全に対する懸念から、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）及び湿度の検出は、数多くの商用、公共用、及び住宅用の用途を有している。１つの有用なセンサータイプは、２つの電極の間に収着剤が配置される静電容量型センサーである。典型的には、電極のうち少なくとも１つは、多孔性であるか、ないしは別の方法で測定する検体蒸気透過性である。これらのタイプのセンサーに使用される収着剤の例としては、いわゆる固有微多孔性ポリマー（ＰＩＭ、ＶＯＣ測定用）及びスルホン化フルオロポリマー（湿度測定用）が挙げられる。

従来、電極は、典型的には蒸着された金属（例えば、金）であり、一定の多孔性を有する電極を製造するために十分に制御された蒸着プロセスを必要とする。

一態様において、本開示は、
内表面及び外表面を有する第１の導電性電極であって、第１の導電性電極が、相互接続する炭素繊維を備える、第１の導電性電極と、
内表面及び外表面を有する第２の導電性電極であって、第２の導電性電極が多孔性であり、かつ相互接続する炭素繊維を含み、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち少なくとも１つが多孔性である、第２の導電性電極と、
厚さを有し、かつ第１の導電性電極と第２の導電性電極との間に配置される多孔性の誘電性検出層であって、多孔性の誘電性検出層が、剛性のモノマー単位間、捩れたモノマー単位間、又は剛性のモノマー単位と捩れたモノマー単位との間のジベンゾジオキサン結合を含有する固有微多孔性ポリマーを含む収着剤を含み、第１の導電性電極の表面と第２の導電性電極の内表面とが、少なくとも多孔性の誘電性検出層の厚さによって分離される、多孔性の誘電性検出層と、を備えるセンサー素子を提供する。

別の態様では、本開示は、センサー素子を製造する方法であって、
多孔性の誘電性検出層を第１の導電性電極上に配置することであって、多孔性の誘電性検出層が収着剤を備え、第１の導電性電極が内表面及び外表面を有し、第１の導電性電極が相互接続している炭素繊維を備える、配置することと、
第２の導電性電極を多孔性の誘電性検出層上に配置することであって、第２の導電性電極が内表面及び外表面を有し、第２の導電性電極が相互接続している炭素繊維を備え、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち少なくとも１つが多孔性である、配置することと、を含み、
多孔性の誘電性検出層が、厚さを有し、かつ第１の導電性電極と第２の導電性電極との間に配置されかつこれらに接触し、収着剤が、剛性のモノマー単位間、捩れたモノマー単位間、又は剛性のモノマー単位と捩れたモノマー単位との間のジベンゾジオキサン結合を含む固有微多孔性ポリマーを備え、第１の導電性電極の内表面と第２の導電性電極の内表面とが、少なくとも多孔性の誘電性検出層の厚さによって分離される、方法を提供する。

本開示によるセンサー素子は、例えば、動作回路に接続される場合、及び電子センサーに組み込まれる場合、有用である。

したがって、更に別の実施形態では、本開示は、検体蒸気を分析する方法であって、
センサー素子を用意することであって、
内表面及び外表面を有する第１の導電性電極であって、第１の導電性電極が、相互接続する炭素繊維を備える、第１の導電性電極と、
内表面及び外表面を有する第２の導電性電極であって、第２の導電性電極が、相互接続する炭素繊維を含み、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち少なくとも１つが多孔性である、第２の導電性電極と、
厚さを有し、かつ第１の導電性電極と第２の導電性電極との間に配置される多孔性の誘電性検出層であって、多孔性の誘電性検出層が、剛性のモノマー単位間、捩れたモノマー単位間、又は剛性のモノマー単位と捩れたモノマー単位との間のジベンゾジオキサン結合を含有する固有微多孔性ポリマーを含む収着剤を含み、第１の導電性電極の内表面と第２の導電性電極の内表面とが、少なくとも多孔性の誘電性検出層の厚さによって分離される、多孔性の誘電性検出層と、を備えるセンサー素子を用意することと、
センサー素子を、検体蒸気を含む気体状サンプルに暴露することと、
センサー素子の電気容量及び別の電気的な特性のうち少なくとも１つを測定することと、
センサー素子の電気容量及び別の電気的な特性のうち少なくとも１つに基づいて、気体状サンプル中の検体蒸気の量及び検体蒸気の化学的同一性のうち少なくとも１つを判定することと、を含む方法を提供する。

有利にも、本開示は、金属電極を炭素繊維紙及び／又は炭素布で置き換えることによって、センサー（電気容量センサーとしても既知の）中の金属電極の必要性を完全に排除する。炭素繊維紙及び布は、剛性かつ脆性のものから、薄くかつ可撓性（例えば、不織材料）のものまで、異なる形状及びサイズで、多くの製造業者から広く入手可能である。これらの材料は、異なる多孔性及び気体浸透性のレベルで特徴付けられ、燃料電池から空気及び水の清浄化までと幅広い用途で使用される。

更に、本開示によるセンサー素子は、検体蒸気が導電性電極を通って検出層へと流れるのを概して妨げる又は除去する基材上に、導電性電極のうちの１つを載置せずに製作することができる。

本明細書で使用する場合、「収着」という用語は、吸着によって又は吸収によってのいずれかで、液体又は気体を定着することを意味する。

本明細書で使用する場合、「炭素」という用語は、化学的な化合物又は化学式の中の１つ以上の炭素原子を指しているのでない限り、炭素のバルクの形態（例えば、カーボンブラック、ランプブラック、又はグラファイト）を指す。

本開示の特徴及び利点は、発明を実施するための形態、及び添付の特許請求の範囲を考慮することで更に深い理解が得られるであろう。

本開示による例示的なセンサー素子の概略側面図である。実施例１で使用されるプロセスを示す、概略のプロセスフロー図である。実施例２で使用されるプロセス示す、概略のプロセスフロー図である。

本開示の原理の範囲及び趣旨の範囲内に含まれる他の多くの改変例及び実施形態が当業者によって考案され得る点は理解されるはずである。図面は、縮尺どおりに描かれていない場合がある。

ここで図１を参照すると、例示的なセンサー素子１００は、任意の基材１１０の上に配置された第１の導電性電極１２０と、第２の導電性電極１４０と、第１の導電性電極１２０と第２の導電性電極１４０との間に配置された検出層１３０と、を備える。第１の導電性電極１２０及び第２の導電性電極１４０のうち少なくとも１つは、多孔性であり、好ましくは、その両方が多孔性である。検出層１３０は、収着剤１３５、及び第１の導電性電極１２０と第２の導電性電極１４０との間の電気的な短絡を防ぐ任意の多孔性の誘電性セパレータ１５０を含む。第１の導電性電極１２０は、内表面及び外表面を有し、かつ任意の誘電性基材１１０上に配置される。第２の導電性電極１４０は、内表面及び外表面を有する。第１の導電性部材及び第２の導電性部材（１２２、１４２）は、任意の第１の導電性電極及び第２の導電性電極（１２０，１４０）に、それぞれ電気的に連結される。

第１の導電性電極と第２の導電性電極とは、センサー素子内でキャパシタープレートとして機能することができるように、十分な程度に電気的に導電性である。典型的には、第１の導電性電極と第２の導電性電極とは、約１０^７オーム／平方未満（好ましくは、１０^６未満、又は更には１０^５オーム／平方未満）のシート抵抗を有する。

第１及び／又は第２の導電性電極は、多孔性である。いくつかの実施形態では、第１及び／又は第２の導電性電極は、平均１０マイクロメートル未満の孔径を有する細孔の実質的に一様分布を有してもよい。いくつかの実施形態では、第１及び／又は第２の導電性電極は、より大きい及び／又はより小さい孔径の一様分布を有する。第１の導電性電極及び第２の導電性電極の内表面は、平滑な内表面を有する。本明細書で使用する場合、「平滑」という用語は、電極間に電気的短絡を生じさせるのに十分なサイズの構造不規則性が表面にほとんどないことを意味する。好ましくは、第１の電極及び第２の電極は、寸法的に安定であり、すなわち、電極は、いかなる寸法においても永久的な構造的損傷を生ずること無しに、１０パーセントを超える応力を受けない（好ましくは、５パーセントを超える応力を受けず、及びより好ましくは、２パーセントを超える応力を受けない）。第１の導電性電極及び第２の導電性電極は、相互接続する炭素繊維を含む。例えば、第１の導電性電極及び第２の導電性電極は、炭素繊維紙及び／又は炭素繊維を含む（若しくは炭素繊維から本質的になる、又は更には炭素繊維からなる）他の不織材料を含んでもよい。炭素繊維紙は、典型的には、炭素繊維の液体スラリーを、連続的に移動するメッシュを通して流すことによって作製される。結果として得られるウェブは、２０ｇ／ｍ^２の紙のベール又はティッシュから、２５０ｇ／ｍ^２を超える厚いフェルトまでを生産するために圧縮され、加熱される。これらの材料は、複合物用途に好適な、シートの平面内に完全に無作為に配置されている短繊維の２次元シートからなり、典型的には、材料を通して蒸気を通過させる細孔（例えば、ミクロ細孔又はナノ細孔）によって特徴付けられる形態で得られる。このタイプの材料は、燃料電池組立体内のガス拡散膜に使用されてきた。本開示の第１及び第２の導電体に有用な多孔性の炭素繊維紙は、例えば、米国特許第７，２９７，４４５号（Ｎａｋａｍｕｒａら）、同第７，５１０，６２６号（Ｈａｍａｄａら）、及び同第８，１４２，８８３号（Ｃｈｉｄａら）に記載されている。同様に多孔性の炭素不織布（紙以外）も、例えば、米国特許第５，５３６，４８６号（Ｎａｇａｔａら）及び同第７，６３２，５８９号（Ｋａｗａｓｈｉｍａｒら）に見出すことができる。性能要件に類似性があるため、上記に列挙したものなどの、ガス拡散膜に有用な又はガス拡散膜として有用な炭素繊維基材は、典型的には本開示の実践において有用である。好適な炭素繊維紙及び不織布は、例えば、ＴｏｒａｙＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒｓＡｍｅｒｉｃａ（ＦｌｏｗｅｒＭｏｕｎｄ，Ｔｅｘａｓ）、ＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＲａｙｏｎＣｏ．Ｌｔｄ．（Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）、及びＦｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇａｎｄＣｏ．（Ｗｅｉｎｈｅｉｍ，Ｇｅｒｍａｎｙ）を含む多数の商業的供給源から得ることができる。

相互貫入ランダム繊維網状組織からなる、炭素／ガラス、炭素／アラミド、及び炭素／セルロースを含むハイブリッド炭素繊維紙も生産されており、使用することができる。他の実施形態では、第１の導電性電極及び第２の導電性電極は、炭素繊維から形成される編組又は編み布材料を含んでもよい。

好ましくは、第１及び第２の導電性基材は、カーボンナノチューブを本質的に含まない。例えば、該導電性基材は、総重量ベースで、５パーセント未満、１パーセント未満、又は更には０．１パーセント未満のカーボンナノチューブを含んでもよい。いくつかの実施形態では、第１及び第２の電極は、カーボンナノチューブを完全に含まない。

第１の導電性電極及び第２の導電性電極は、任意の厚さを有してもよい。好ましくは、第１及び／又は第２の導電性電極の厚さは、これらを取り扱うことができるような厚さであり、場合によっては、センサー素子を自立型（すなわち、支持基材を必要としない）とすることもできるような厚さであるが、これは必須要件ではない。第１の導電性電極及び第２の導電性電極は、同一であってもよく、又は異なっていてもよい。

いくつかの実施形態では、第１の及び／又は導電性電極の内表面はその上にコーティングを有し、このコーティングは、該内表面上への検出層のコーティング、及び／又は該内表面への積層を容易にする。コーティングは、無機酸化物及び／又は有機ポリマーを含んでもよく、所望により更に粒子状物質を含んでもよい。

好適な無機酸化物の例としては、好ましくは、微多孔性の又はメソ細孔性の形態のシリカ、アルミナ、及びチタニアが挙げられる。

例示的な一実施形態では、コーティングはフルオロポリマーを含み、所望により炭素粒子も含む。好適なフルオロポリマーの実施例のとしては、二フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、及びヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ）のホモポリマー及びコポリマー（例えば、ＶＤＦ、ＴＦＥ、及びＨＦＰのターポリマー）、並びに前述のモノマーの、エチレン、プロピレン、及び／又はこれらのハロゲン化誘導体との１つ以上のコポリマーが挙げられる。

好適な炭素粒子の例としては、粒子状カーボンブラック、サーマルブラック、ランプブラック、チャンネルブラック、及びファーネスブラックが挙げられる。かかる材料は、商業的供給元から広く入手可能である。

フルオロポリマーコーティング（炭素粒子が分散しており、炭素繊維紙上にコーティングされたコーティング）の平滑な表面を有する１つの有用な多孔性の導電性の炭素繊維紙は、３Ｍ２９７９ＭＲＣＣＰ４、部品番号４４−００５０−２７０１−４として、３ＭＣｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ）から入手可能である。

いくつかの実施形態では、多孔性の誘電性検出層は、剛性のモノマー単位間、捩れたモノマー単位間、又は剛性のモノマー単位と捩れたモノマー単位との間のジベンゾジオキサン結合を含有する固有微多孔性ポリマーを含む収着剤を含む。多孔性の誘電性検出層は、第１の導電性電極と第２の導電性電極とが電気的に接触しないようにこれらを離間する。

任意の多孔性の誘電性セパレータ１５０は、存在する場合、第１の導電性電極と第２の導電性電極との間の電気的短絡を防止するように機能する。好ましくは、検体がその厚さにわたって拡散することができるように十分に多孔性であるが、これは必須要件ではない。好ましくは、任意の多孔性の誘電性セパレータは、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち少なくとも１つと少なくとも同一の広がりを持つが、これは必須要件ではない。セパレータに適した材料の実施例としては、紙、微多孔性のポリマーフィルム（例えば、微多孔性のポリプロピレンフィルム）、及び不織布（例えば、メルトスパン又はブローンマイクロファイバーウェブ）が挙げられる。

任意の誘電性基材は、例えば、誘電性材料の連続したスラブ、層、又はフィルムを備えてもよい。これは第１の導電性電極に十分に近接して配置され、センサー素子に物理的強度及び一体性を提供するように機能し得る。例えば、ガラス、セラミック、及び／又はプラスチックを含む、任意の好適な誘電材料を使用することができる。規模の大きい生産では、例えば、ポリエステル又はポリイミドフィルム又はシートなどの高分子フィルムが有用である場合がある。

所望の場合、第１及び／又は第２の導電性電極は、電極と電気的に接触してそれに固着された導電性リード（例えば、導線）を有してもよい。好ましくは、第１の導電性電極と第２の導電性電極とは、少なくとも実質的に平行（例えば、平行）であるが、これは必須要件ではない。

収着剤１３５は、微多孔性で、かつ少なくとも１つの検体蒸気をその内側に吸収する能力を有する任意の材料（例えば、無機又は有機）とすることができる。本文脈中、用語「微多孔性の」及び「微多孔質」とは、材料が、有意な規模の、相互接続された内部間隙体積を有し、平均孔径（例えば、吸着等温線手段によって特徴付けられる）が、約１００ｎｍ未満、典型的には約１０ｎｍ未満であることを意味する。かかる微多孔質により、検体の分子（存在する場合）が、材料の内部間隙体積に浸透し、内部の細孔中に定着することが可能となる。内部の孔の中のこのような検体の存在は、材料の誘電特性を変化させることができ、それによって誘電率（又は他の任意の好適な電気的特性）の変化を観察することができる。

一部の実施形態では、微多孔性誘電体材料は、いわゆる固有微多孔性ポリマー（ＰＩＭ）を含む。ＰＩＭは、ポリマー鎖の非効率的な充填のために、ナノメートルスケールの孔を有するポリマー材料である。例えば、ＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００４，（２），ｐｐ．２３０〜２３１，Ｂｕｄｄｅｔａｌ．では、剛性のモノマービルディングブロック（すなわち、モノマー単位）間、捩れたモノマー単位間、又は剛性のモノマー単位と捩れたモノマー単位との間のジベンゾジオキサン結合を含む、一連の固有に微多孔性の材料を報告している。ポリマーのこのファミリーの代表的なメンバーとしては、スキーム１に従って表１に示される構成成分Ａ（例えば、Ａ１、Ａ２、又はＡ３）と構成成分Ｂ（例えば、Ｂ１、Ｂ２、又はＢ３）との縮合によって生成されるものが挙げられる。

例えば、Ｂｕｄｄらによって、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００５，Ｖｏｌ．１５、ｐｐ．１９７７〜１９８６において、ＭｃＫｅｏｗｎらによって、Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＡＥｕｒｏｐｅａｎＪｏｕｒｎａｌ，２００５，Ｖｏｌ．１１，ｐｐ．２６１０〜２６２０において、Ｇｈａｎｅｍらによって、Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，２００８，ｖｏｌ．４１，ｐｐ．１６４０〜１６４６において、Ｇｈａｎｅｍらによって、ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００８，ｖｏｌ．２０，ｐｐ．２７６６〜２７７１において、Ｃａｒｔａらによって、ＯｒｇａｎｉｃＬｅｔｔｅｒｓ，２００８，ｖｏｌ．１０（１３），ｐｐ．２６４１〜２６４３において、国際公開第２００５／０１２３９７Ａ２号（ＭｃＫｅｏｗｎら）において、及び米国特許出願公開第２００６／０２４６２７３号（ＭｃＫｅｏｗｎら）において、報告されているように、更に好適な構成成分Ａ及びＢ、並びに結果として得られる固有微多孔性ポリマーが、当該技術分野において既知である。

そのようなポリマーは、例えば、Ａ１（５，５’，６，６’−テトラヒドロキシ−３，３，３’，３’−テトラメチル−１，１’−スピロビスインダン）などのビス−カテコールを、塩基性条件下で、例えば、Ｂ１（テトラフルオロテレフタロニトリル）などのフッ素化アレーンと反応させる逐次重合によって、合成することができる。得られるポリマー主鎖の剛直性及びねじれ状態によって、これらのポリマーを固体状態で密に充填できず、そのため、少なくとも１０パーセントの自由体積を有し、固有にミクロ孔質である。

ＰＩＭは、他の材料とブレンドされてもよい。例えば、ＰＩＭは、それ自体は吸収性誘電体材料ではない材料とブレンドされてもよい。かかる材料は、検体蒸気反応に寄与しないものの、他の理由のために有用である場合がある。例えば、かかる材料は、優れた機械特性などを有する、ＰＩＭ含有層の形成を可能にし得る。一実施形態において、ＰＩＭは、他の材料と共に一般的な溶媒に溶解して、均質な溶液を形成してもよく、この溶液はキャスティングされて、ＰＩＭ及び他のポリマーの両方を含む吸収性誘導体ブレンド層を形成してもよい。ＰＩＭはまた、吸収性誘電体材料である材料（例えば、ゼオライト、活性炭、シリカゲル、超架橋ポリマーネットワークなど）とブレンドされてもよい。このような材料は、ＰＩＭ材料を含む溶液中に懸濁された不溶性材料を含んでもよい。かかる溶液／懸濁液のコーティング及び乾燥は、ＰＩＭ材料と追加的な吸収性誘導体材料の両方を含む、複合吸収性誘導体層をもたらすことができる。

ＰＩＭは、典型的に、例えば、テトラヒドロフランなどの有機溶媒に可溶性であり、したがって溶液から（例えば、スピンコーティング、ディップコーティング、又はバーコーティングによって）フィルムとしてキャスティングすることができる。しかし、これらのポリマーの溶液から作製されるフィルムの特徴（入手可能な厚さ、光学的透明度、及び／又は外観）は、フィルムのキャスティングに使用される溶媒又は溶媒系に応じて著しく異なる場合がある。例えば、本明細書に記載の蒸気センサーで使用するのに望ましい特性を備えたフィルムを作り出すためには、分子量のより高い固有微多孔性ポリマーは、比較的独特な溶媒（例えば、シクロヘキセンオキシド、クロロベンゼン、又はテトラヒドロピラン）からキャスティングされる必要がある場合がある。溶液コーティング法に加えて、検出層は、任意の他の好適な方法によって第１の導電性電極に適用されてもよい。

ＰＩＭが堆積される（例えば、コーティングされる）か、ないしは別の方法で吸収性誘電体層を含むように形成された後、材料は、例えば、ビス（ベンゾニトリル）二塩化パラジウム（ＩＩ）などの好適な架橋剤を使用して架橋することができる。このプロセスは、吸収性誘電体層を有機溶媒に不溶性にし、及び／又は耐久性、摩擦耐性など特定の物理的特性を向上させることができ、これは特定の用途において望ましい場合がある。

ＰＩＭは、材料が著しく膨潤するか、あるいは別様に物理的特性の顕著な変化を示す程度まで液体水を吸収することがないように、疎水性であってもよい。かかる疎水性特性は、水の存在に対する感度が比較的低い有機検体蒸気センサー素子を提供するのに有用である。しかしながら、材料は特定の目的のために、比較的極性の部分を含んでもよい。

代替的には、湿度を検出するために静電容量型センサー素子を使用する実施形態では、検出層は好ましくは親水性である。例えば、検出層は、

を含むモノマー単位を有するコポリマーを含んでもよく、式中、Ｍは、Ｈ（すなわち、水素）、又はアルカリ金属（例えば、リチウム、ナトリウム、又はカリウム）を表す。

かかるコポリマーは、例えば、米国特許第７，３４８，０８８号（Ｈａｍｒｏｃｋら）に記載されている。一実施形態において、コポリマーは、次に示す化学量論式：

（式中、ｍ及びｎは、正の整数（すなわち、１、２、３など）であり、Ｍは先に定義したとおりである）によって表される部分を有するランダム共重合体であってもよい。例えば、ペルフルオロアルキル基、又はペルフルオロアルコキシル基などのその他のペンダント基も含まれていてよい。一般的に、コポリマー中に他のペンダント基は実質的に存在せず（例えば、５モル％未満）、より一般的には、他のペンダント基は存在しない。

コポリマーは、テトラフルオロエチレンと、４’−フルオロスルホニル−１’，１’，２’，２’，３’，３’，４’，４’−オクタフルオロブチルオキシ−１，２，２−トリフルオロエチレン（すなわち、ＣＦ_２＝ＣＦＯ（ＣＦ_２）_４ＳＯ_２Ｆ）との共重合、続くアルカリ金属スルホン酸塩形態又はスルホン酸形態へのフッ化スルホニルの塩基性加水分解によって作製されてもよい。付加的なコモノマーは、コモノマーにペルフルオロアルキル又はペルフルオロアルキルエーテルペンダント基を提供するように含まれてもよい。フッ化ビニリデンはモノマーとして使用されてもよい。重合は、水性乳化重合を含む、任意の好適な方法によって達成することができる。コポリマーは、一般的に、スルホン酸塩等価物当たり少なくとも５００グラム、より一般的には、スルホン酸塩等価物当たり少なくとも６５０グラム、より一般的には、スルホン酸塩等価物当たり少なくとも７５０グラムのスルホン酸塩当量（すなわち、１つの−ＳＯ_３Ｍ基を有するコポリマーの重量）を有してもよい。コポリマーは、典型的に、スルホン酸塩等価物当たり１２００グラム未満、より典型的には、スルホン酸塩等価物当たり１１００グラム未満、又は更には、スルホン酸塩等価物当たり１０００グラム以下のスルホン酸塩当量を有する。一部の実施形態において、コポリマーは、スルホン酸塩等価物当たり５００〜１０００グラムの範囲のスルホン酸塩当量を有する。

市販されているコポリマーの例には、３ＭＣｏｍｐａｎｙ（ＳａｉｎｔＰａｕｌ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ）から３ＭＰＥＲＦＬＵＯＲＯＳＵＬＦＯＮＩＣＡＣＩＤＩＯＮＯＭＥＲという商品名で入手可能なコポリマーが挙げられる。

検出層は、任意の好適な方法によって（例えば、導電性電極上に）堆積してもよい。検出層の溶媒又は水からの流込み、これに続く加熱乾燥、及び場合によりアニール化は、一般に、有効な方法である。所望の場合には、フルオロスルホニル化コポリマー前駆体は、上述のように、溶媒から流し込み、続いて加水分解してもよい。

微多孔性誘電体材料が有機ケイ酸塩材料である吸収静電容量センサー素子に関する更なる詳細は、国際公開第２０１０／０７５３３３Ａ２号（Ｔｈｏｍａｓ）に記載されている。

検出層は、任意の厚さであってもよいが、一般的に、約１００ナノメートル（ｎｍ）〜１ミリメートルの範囲である。より一般的には、検出層は、５００ｎｍ〜１０マイクロメートル、又は更には、７００〜３５００ｎｍの範囲の厚さを有する。

ＰＩＭを含む吸収性電気容量センサー素子の製作及びこれらの動作原理に関する更なる詳細は、例えば、米国特許出願公開第２０１１／００４５６０１Ａ１号（Ｇｒｙｓｋａら）、及び同第２０１１／００３１９８３Ａ１号（Ｄａｖｉｄら）、並びに米国仮特許出願第６１／３８８，１４６号、表題「ＳｅｎｓｏｒＥｌｅｍｅｎｔ，ＭｅｔｈｏｄｏｆＭａｋｉｎｇｔｈｅＳａｍｅ，ａｎｄＳｅｎｓｏｒＤｅｖｉｃｅＩｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅＳａｍｅ」（Ｐａｌａｚｚｏｔｔｏら）に見出すことができる。

検出層は、例えば、着色剤、残留有機溶媒、充填剤、及び／又は可塑剤などの、１つ以上の追加的な構成成分を含有する場合がある。

一実施形態では、微多孔性誘電体材料は連続的なマトリックスを含む。このようなマトリックスは、材料の固体部分が連続的に相互接続するアセンブリ（例えば、コーティング、層など）として定義される（上記の多孔質の存在、又は下記の任意の添加物の存在とは関わりなく）。すなわち、連続的なマトリックスは、粒子の凝集（例えば、ゼオライト、活性炭、及びカーボンナノチューブ）を含むアセンブリと区別できる。例えば、溶液から堆積される層又はコーティングは、典型的には、連続的なマトリックスを含む（コーティング自体がパターンを有する方法で塗布されるか、及び／又は粒子状の添加物を含むとしても）。粉末の噴霧、分散体（例えば、ラテックス）のコーティング及び乾燥、又はゾル−ゲル混合物のコーティング及び乾燥によって堆積された粒子の集合は、連続的な網状組織を含まない場合がある。しかしながら、このようなラテックス、ゾル−ゲルなどの層が、個別の粒子がもはや認識不可能であるか、又は異なる粒子から得られたアセンブリの領域を認識することが不可能であるように固化され得る場合に、このような層は、連続的なマトリックスと見なすことができる。

本開示による電気容量に関連する特性のセンサー素子は、例えば、第１の導電性電極を任意の誘電性基材上に配置することによって（例えば、接着テープ、糊で接着することによって）作製することができる。いくつかの実施形態では、センサー素子の製作の中に任意の基材を使用し、その後除去してもよい。かかる場合、好ましくは、任意の基材は第１の導電性電極に取り外し可能に接着される。

次に、好適な有機溶媒中の微多孔性誘電体材料が、溶媒コーティング方法を用いて、典型的には溶媒中の溶液として、第１の導電性電極の上に堆積され、あらゆる残留溶媒は、少なくとも実質的に除去される。代替的には、検出層が、被膜形態である場合、熱及び／又は圧力積層を用いてもよい。最後に、第２の導電性電極が、典型的には熱及び／又は圧力積層によって微多孔性誘電体材料上に配置される。かかるコーティング及び積層の一般的な方法は、当該技術分野において既知である。動作回路への接続を容易にするために、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のそれぞれに導電性リード（例えば、金属ワイヤ、ピン、ソケット、又は他の端子）を取り付けるのが望ましい場合がある。

本開示は、検体蒸気を分析する方法も提供する。方法は、本開示による（すなわち、有機化合物蒸気及び／又は水分を収着する能力を有する検出層を有する）センサー素子を用意することと、センサー素子を検体蒸気に暴露することと、次いでセンサー素子の電気容量及び別の電気的な特性のうち少なくとも１つを測定することと、を含む。センサー素子の電気容量又は別の電気的な特性を測定するために、第１の導電性電極及び第２の導電性電極は、所望の電気的な特性（例えば、電気容量）を判定する能力、かつ好ましくは表示する能力を有する動作回路に電気的に接続される。

所望する場合、センサー素子は、温度の変化に起因する変動性を除去するために、周囲温度より高い温度（例えば、少なくとも３０℃、少なくとも４０℃、又は更には少なくとも５０℃）に加熱されてもよい。一般に、センサー素子は、精度を確認するために、測定されるべき検体蒸気の既知の濃度（それによって較正データを生成する）及び基準ゼロ濃度（すなわち、基準ベースライン）を使用して較正する必要がある。使用時には、センサー素子は、検体蒸気に暴露され、かつ典型的には、均衡化するのに十分な時間が許容されるが、これは必須要件ではない。次いで、電気容量（又は他の電気的な特性）が測定され、補正された電気容量を得るために基準ベースラインが差し引かれ、これを適当な較正データと直接的又は間接的に比較して、検体蒸気の蒸気濃度及び／又は独自性を決定することができる。所望する場合、検体蒸気を含有するサンプルは複数の希釈物に分割されてもよく、これを分析して基準データとの比較のための応答曲線を生成する。

好適な動作回路は、当該技術分野において既知であり、例えば、ＬＣＲメーター、マルチメーター、及び他の電子的な測定デバイスが挙げられる。本文脈中、「動作回路」という用語は、一般的に、第１の導電性電極及び第２の導電性電極に電圧を印加する（したがって、電極に電荷差を付与する）ため、及び／又はセンサー素子の、有機検体の存在に反応して変化し得る電気的特性を監視するために使用することができる電気装置を指す。様々な実施形態において、動作回路は、インダクタンス、静電容量、電圧、抵抗、コンダクタンス、電流、インピーダンス、位相角、損失率、又は散逸のいずれか若しくは組み合わせを監視してもよい。

このような動作回路は、電極への電圧の印加及び電気的特性の監視の両方を行う単一の装置を含んでもよい。別の実施形態では、このような動作回路は、電圧を提供するものと、信号をモニタするものとの２つの別個の装置を含んでもよい。動作回路は、典型的には、導電性部材によって第１の導電性電極及び第２の導電性電極に電気的に結合されている。

静電容量型センサー素子を使用する、検体蒸気の測定に関する更なる詳細は、例えば、米国仮特許出願第６１／４７５０１４号、表題「ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｖｉｃｅＩｎｃｌｕｄｉｎｇＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＭｅｔｈｏｄｏｆＵｓｉｎｇｔｈｅＳａｍｅ」（Ｋａｎｇら）、同第６１／４７５０００号、表題「ＭｅｔｈｏｄｏｆＤｅｔｅｃｔｉｎｇＶｏｌａｔｉｌｅＯｒｇａｎｉｃＣｏｍｐｏｕｎｄｓ」（Ｋａｎｇら）、同第６１／４７５００９号、表題「ＶａｐｏｒＳｅｎｓｏｒＩｎｃｌｕｄｉｎｇＳｅｎｓｏｒＥｌｅｍｅｎｔｗｉｔｈＩｎｔｅｇｒａｌＨｅａｔｉｎｇ」（Ｐａｌａｚｚｏｔｔｏら）、同第６１／４９４５７８号、表題「ＨｕｍｉｄｉｔｙＳｅｎｓｏｒａｎｄＳｅｎｓｏｒＥｌｅｍｅｎｔＴｈｅｒｅｆｏｒ」（Ｇｒｙｓｋａら）、及び同第６１／５６９９８７号、表題「ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆａｎＵｎｋｎｏｗｎＯｒｇａｎｉｃＣｏｍｐｏｕｎｄｉｎａＧａｓｅｏｕｓＭｅｄｉｕｍ」（Ｇｒｙｓｋａら）に見出すことができる。

本開示の選択された実施形態
第１の実施形態では、本開示は、
内表面及び外表面を有する第１の導電性電極であって、第１の導電性電極が、相互接続する炭素繊維を備える、第１の導電性電極と、
内表面及び外表面を有する第２の導電性電極であって、第２の導電性電極が多孔性であり、かつ相互接続する炭素繊維を含み、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち少なくとも１つが多孔性である、第２の導電性電極と、
厚さを有し、かつ第１の導電性電極と第２の導電性電極との間に配置される多孔性の誘電性検出層であって、多孔性の誘電性検出層が、剛性のモノマー単位間、捩れたモノマー単位間、又は剛性のモノマー単位と捩れたモノマー単位との間のジベンゾジオキサン結合を含有する固有微多孔性ポリマーを含む収着剤を含み、第１の導電性電極の表面と第２の導電性電極の内表面とが、少なくとも多孔性の誘電性検出層の厚さによって分離される、多孔性の誘電性検出層と、を備えるセンサー素子を用意する。

第２の実施形態では、本開示は、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち、少なくとも１つの内表面が平滑である、第１の実施形態によるセンサー素子を提供する。

第３の実施形態では、本開示は、多孔性の誘電性セパレータが、収着剤中に配置される、第１又は第２の実施形態によるセンサー素子を提供する。

第４の実施形態では、本開示は、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち少なくとも１つが不織炭素布又は炭素紙を備える、第１〜第３の実施形態のいずれか１つによるセンサー素子を提供する。

第５の実施形態では、本開示は、不織炭素布又は炭素紙が、その上にフルオロポリマーを含むコーティングを有する、第４の実施形態によるセンサー素子を提供する。

第６の実施形態では、本開示は、コーティングが炭素粒子を更に含む、第５の実施形態によるセンサー素子を提供する。

第７の実施形態では、本開示は、第１の導電性電極と電気的に導通している第１の導電性リードと、第２の導電性電極と電気的に導通している第２の導電性リードと、を更に備える、第１〜第６の実施形態のいずれか１つによるセンサー素子を提供する。

第８の実施形態では、本開示は、センサー素子を製造する方法であって、
多孔性の誘電性検出層を第１の導電性電極上に配置することであって、多孔性の誘電性検出層が収着剤を備え、第１の導電性電極が内表面及び外表面を有し、第１の導電性電極が相互接続している炭素繊維を備える、配置することと、
第２の導電性電極を多孔性の誘電性検出層上に配置することであって、第２の導電性電極が内表面及び外表面を有し、第２の導電性電極が相互接続している炭素繊維を備え、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち少なくとも１つが多孔性である、配置することと、を含み、
多孔性の誘電性検出層が、厚さを有し、かつ第１の導電性電極と第２の導電性電極との間に配置されかつこれらに接触し、収着剤が、剛性のモノマー単位間、捩れたモノマー単位間、又は剛性のモノマー単位と捩れたモノマー単位との間のジベンゾジオキサン結合を含む固有微多孔性ポリマーを備え、第１の導電性電極の内表面と第２の導電性電極の内表面とが、少なくとも多孔性の誘電性検出層の厚さによって分離される、方法を提供する。

第９の実施形態では、本開示は、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち、少なくとも１つの内表面が平滑である、第８の実施形態による方法を提供する。

第１０の実施形態では、本開示は、多孔性の誘電性セパレータが収着剤中に配置される、第８又は第９の実施形態による方法を提供する。

第１１の実施形態では、本開示は、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち少なくとも１つが不織炭素布又は炭素紙を含む、第８〜第１０の実施形態のいずれか１つによる方法を提供する。

第１２の実施形態では、本開示は、不織炭素布又は炭素紙が、その上にフルオロポリマーを含むコーティングを有する、第１１の実施形態による方法を提供する。

第１３の実施形態では、本開示は、コーティングが炭素粒子を更に含む、第１２の実施形態による方法を提供する。

第１４の実施形態では、本開示は、
第１の導電性リードを第１の導電性電極に取り付け、第２の導電性リードを第２の導電性電極に取り付けることを更に含む、請求項８〜１３のいずれか１つによる方法を提供する。

第１５の実施形態では、本開示は、検体蒸気を分析する方法であって、
センサー素子を用意することであって、
内表面及び外表面を有する第１の導電性電極であって、第１の導電性電極が、相互接続する炭素繊維を備える、第１の導電性電極と、
内表面及び外表面を有する第２の導電性電極であって、第２の導電性電極が、相互接続する炭素繊維を含み、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち少なくとも１つが多孔性である、第２の導電性電極と、
厚さを有し、かつ第１の導電性電極と第２の導電性電極との間に配置される多孔性の誘電性検出層であって、多孔性の誘電性検出層が、剛性のモノマー単位間、捩れたモノマー単位間、又は剛性のモノマー単位と捩れたモノマー単位との間のジベンゾジオキサン結合を含有する固有微多孔性ポリマーを含む収着剤を含み、第１の導電性電極の内表面と第２の導電性電極の内表面とが、少なくとも多孔性の誘電性検出層の厚さによって分離される、多孔性の誘電性検出層と、を備えるセンサー素子を用意することと、
センサー素子を、検体蒸気を含む気体状サンプルに暴露することと、
センサー素子の電気容量及び別の電気的な特性のうち少なくとも１つを測定することと、
センサー素子の電気容量及び別の電気的な特性のうち少なくとも１つに基づいて、気体状サンプル中の検体蒸気の量及び検体蒸気の化学的同一性のうち少なくとも１つを判定することと、を含む方法を提供する。

第１６の実施形態では、本開示は、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち少なくとも１つの内表面が平滑である、第１５の実施形態による方法を提供する。

第１７の実施形態では、本開示は、多孔性の誘電性セパレータが収着剤中に配置される、第１５又は第１６の実施形態による方法を提供する。

第１８の実施形態では、本開示は、第１の導電性電極及び第２の導電性電極のうち少なくとも１つが不織炭素布又は炭素紙を含む、第１５〜第１７の実施形態のいずれか１つによる方法を提供する。

第１９の実施形態では、本開示は、不織炭素布又は炭素紙が、その上にフルオロポリマーを含むコーティングを有する、第１８の実施形態による方法を提供する。

第２０の実施形態では、本開示は、コーティングが炭素粒子を更に含む、第１９の実施形態による方法を提供する。

第２１の実施形態では、本開示は、センサー素子が、第１の導電性電極と電気的に導通している第１の導電性リードと、第２の導電性電極と電気的に導通している第２の導電性リードと、を更に備える、第１５〜第２０の実施形態のいずれか１つによる方法を提供する。

以下の非限定的な実施例によって本開示の目的及び利点を更に例示するが、これらの実施例に記載する特定の材料及びその量、並びに他の条件及び詳細は、本開示を不当に限定するものとして解釈されるべきではない。

特に断らないかぎり、実施例及び本明細書の残りの部分におけるすべての部、百分率、比、等々は、重量基準である。

試験方法
ＶＯＣ測定試験方法
既知の濃度のメチルエチルケトン（ＭＥＫ）を測定用のセンサーに送達するために、単純な貫流送達システムを使用した。ポリテトラフルオロエチレン（ｐｔｆｅ）チュービングを送気システム全体にわたって用いた。暴露濃度は、シリンジポンプ及び５ｍＬの気密シリンジを用いてＭＥＫ流を調量することによって生成された。蒸発フラスコは、ガス流量計によって制御された１０Ｌ／分の乾燥空気流と共に、蒸発プロセスを促進するための直径４２．５ｍｍの#１タイプの濾紙を収容した。（ＭＥＫ蒸気の所望の濃度を得るための）シリンジポンプの設定点及び空気の流量の計算は、「ＧａｓＭｉｘｔｕｒｅｓ：ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ」（ＧａｒｙＯ．Ｎｅｌｓｏｎ：ＬｅｗｉｓＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、ＢｏｃａＲａｔｏｎ、Ｆｌｏｒｉｄａ，１９９２）の中の方法に従って行われた。ガス流中のＭＥＫの濃度は、赤外線分光計（ＴｈｅｒｍｏＥｌｅｃｔｒｏｎ（Ｗａｌｔｈａｍ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）からのＭｉｒａｎＳａｐｐｈｉｒｅ赤外線分光計）で監視された。気体状ＭＥＫ流を、センサーを収容する（制御された温度に保持された）試験チャンバに導入した。ばね式プローブを使用して、センサーの電極を、ＬＣＲメーター（ＩｎｓｔｅｋＡｍｅｒｉｃａ，Ｃｏｒｐ．（Ｃｈｉｎｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）からＩｎｓｔｅｋＭｏｄｅｌ８２１ＬＣＲメーターとして入手可能）を備えた操作回路に接続した。センサーの静電容量（ピコファラド（ｐＦ））の変化を、ＶＯＣ蒸気試験の全経過の間、特定の時間間隔で、１ｋＨｚの周波数及び１Ｖで監視した。

％相対湿度（％Ｒ．Ｈ．）測定試験方法
単純なフロースルー送達システムを使用して、既知のレベルの％Ｒ．Ｈ．をセンサーに送達し、測定を行った。送達システム全体にわたって、ｐｔｆｅチュービングを使用した。曝露濃度を、蒸留水を収容した温度制御された蒸発フラスコを通る１０Ｌ／分の空気流によって発生させた。二重壁フラスコ中の水の温度を、ＶＷＲからの加熱／冷却サーキュレーターによって制御し、乾燥空気の空気流を、Ｍａｔｈｅｓｏｎ気体流量計によって調節した。気体流中の％Ｒ．Ｈ．レベルを、ＯｍｅｇａＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｃ．（Ｓｔａｍｆｏｒｄ，Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ）から入手可能なｉＴＨＸ−Ｍ湿度計で監視した。加湿した空気を、センサーを収容する（制御された温度に保持された）試験チャンバに導入した。ばね式プローブを使用して、センサーの電極を、ＬＣＲメーター（ＩｎｓｔｅｋＡｍｅｒｉｃａ，Ｃｏｒｐ．（Ｃｈｉｎｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）からＩｎｓｔｅｋＭｏｄｅｌ８２１ＬＣＲメーターの表記で入手可能）を備えた操作回路に接続した。センサーの静電容量（ピコファラド（ｐＦ））の変化を、水蒸気試験の全経過の間、特定の時間間隔で、１ｋＨｚの周波数及び１Ｖで監視した。かかる低い作動電位及び高い摂動周波数の選択によって、測定された気体流中に存在する電気分解水に関連したいかなる考えられるファラデープロセスからの干渉もないことが保証された。

ＰＩＭ材料の調製
モノマー、５，５’，６，６’−テトラヒドロキシ−３，３，３’，３’−テトラメチル−１，１’−スピロビスインダン及びテトラフルオロテレフタロニトリルから、ＢｕｄｄらによりＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌ，２００４，Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．５，ｐｐ．４５６〜４５９に報告されている手順に概して従って、ＰＩＭ材料を調製した。４０．０００グラムの５，５’，６，６’−テトラヒドロキシ−３，３，３’，３’−テトラメチル−１，１’−スピロビスインダンを、２３．７２４ｇのテトラフルオロテレフタロニトリル、９７．３７３ｇの炭酸カリウム、及び１０１６．８ｇのＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドと組み合わせ、混合物を６８℃で７２時間反応させた。重合混合物を水中に注ぎ、沈殿物を真空濾過により単離した。得られたポリマーをテトラヒドロフランに２回溶解し、メタノールから沈殿させ、室温で風乾した。光散乱検出を用いたゲル透過クロマトグラフィー分析により測定して約４１，９００ｇ／モルの数平均分子量を有する黄色い固体生成物を得た。

（実施例１）
この実施例は、ＰＩＭに基づくセンサー素子の調製を記載する。小型の広口瓶内で構成成分を混合し、ローラーミル（ＷｈｅａｔｏｎＳｃｉｅｎｃｅＰｒｏｄｕｃｔｓ（Ｍｉｌｌｖｉｌｌｅ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ）から入手したＭｉｎｉＢｏｔｔｌｅＲｏｌｌｅｒナンバー３４８９２０）上に約３時間定置し、次いでＰＡＬＬＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅｓ（ＡｎｎＡｒｂｏｒ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ）から入手したＡＣＲＯＤＩＳＣ２５ＭＭＳＹＲＩＮＧＥＦＩＬＴＥＲＷＩＴＨ１ＭＩＣＲＯＮＧＬＡＳＳＦＩＢＥＲＭＥＭＢＲＡＮＥフィルターディスクを通して濾過して、クロロベンゼン中５．５重量％のＰＩＭ（上述のようにして調製された）溶液を調製した。形成されたいかなる気泡も消えるように、この溶液を一晩静置した。次いで、すべてのサンプルの調製にこのＰＩＭ溶液を使用した。

センサー素子は、３ＭＣｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ）から入手した、導電性多孔性炭素紙（３Ｍ２９７９ＭＲＣＣＰ４、部品番号４４−００５０−２７０１−４）を使用して図２に示すように調製された。使い捨てのトランスファーピペットから３滴のＰＩＭ溶液２２０ａを、厚さ０．２１ｍｍ、長さ２５ｍｍ、及び幅１２ｍｍの炭素紙のＬ字型片（底部電極２１０）の最も平滑な表面の上に堆積した。次に、ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰａｐｅｒ（Ｍｅｍｐｈｉｓ，Ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ）から入手可能な厚さ０．１ｍｍのＨａｍｍｅｒＭｉｌｌのプリンター用紙（部品番号００５００−７）の矩形片（２７ｍｍ×１４ｍｍ）２３０を、ＰＩＭ溶液の上に定置した。この工程により、溶媒が紙を濡らし、底部電極にわたって均等な拡散が生じた。次に、追加的に３滴のＰＩＭ溶液２２０ｂを紙２４０の上に直接堆積し、拡散させた。最終的な工程では、頂部電極２５０は底部電極２１０と同一の材料からなり、最も平滑な側を下にしてＰＩＭ材料の上に設定され、ゆるやかな圧力が印加された。室温での１時間の乾燥後、組立体は１００℃の炉内でさらに１時間加熱され、センサー素子２００を得た。センサー全体の総厚さは、０．５５ｍｍであった。紙のスペーサは、頂部電極と底部電極との間の可能性のある電気的な短絡を防止するためだけに含まれた。

（実施例２）
この実施例は、アイオノマーに基づくセンサー素子の調製を示す。小型の広口瓶内で構成成分を混合し、ローラーミル（ＷｈｅａｔｏｎＳｃｉｅｎｃｅＰｒｏｄｕｃｔｓ（Ｍｉｌｌｖｉｌｌｅ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ）から入手したＭｉｎｉＢｏｔｔｌｅＲｏｌｌｅｒ、部品番号３４８９２０）上に約４時間定置し、次いでＰａｌｌＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅｓ（ＡｎｎＡｒｂｏｒ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ）から入手したＡＣＲＯＤＩＳＣ２５ＭＭＳＹＲＩＮＧＥＦＩＬＴＥＲＷＩＴＨ１ＭＩＣＲＯＮＧＬＡＳＳＦＩＢＥＲＭＥＭＢＲＡＮＥフィルターディスクを通して濾過して、８２５ｇ／ｅｑｕｉｖ（当量）の、重量比で６０／４０のｎ−プロパノール／水中の２０重量％固体の３Ｍペルフルオロスルホン酸アイオノマーを調製した。形成されたいかなる気泡も消えるように、この溶液を一晩静置した。次いで、すべてのサンプルの調製にこの溶液（３３０）を使用した。

センサー素子３００の組立品を図３に示す。センサー素子は、３ＭＣｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ）から入手した、導電性多孔性炭素紙（３Ｍ２９７９ＭＲＣＣＰ４、部品番号４４−００５０−２７０１−４）を使用して調製された。この厚さ０．２１ｍｍの炭素紙から、５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズの対称な十文字（３１０）を切り抜き、６０ｍｍ×６０ｍｍのボール紙片（３１５）上に定置した。次に、材料の一部をコーティング溶液から保護するために、十文字の２つの辺を、３ＭＣｏｍｐａｎｙからの０．７５インチ（１．９１ｃｍ）幅のＭａｇｉｃＴａｐｅ＃１０５透明テープ（３２５）を使用して被覆し、ボール紙に留め付けた。この時点で、多孔性の導電性の炭素繊維紙の最も平滑な表面を上向きにした。次いで、サンプルは、ＬａｕｒｅｌｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＮｏｒｔｈＷａｌｅｓ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）からのＭｏｄｅｌＷＳ４００Ｂ−８ＮＰＰ／ＬＩＴＥスピンコーターを使用してアイオノマー溶液（３３０）でスピンコーティングされた。サンプルをコーティングするために、サンプルをスピンコーター内に置き、サンプルの上に約１ｍＬのアイオノマー溶液をかけた。それぞれのサンプルは、１０００ｒｐｍで６０秒間スピンされた。次いで、別に１ｍＬのアイオノマー溶液をかけ、４０００ｒｐｍで６０秒間スピンした。次の工程で、テープは剥がされ、コーティングされた炭素紙は、ボール紙から除去され、そして切断線３５０ａ及び３５０ｂに沿ってハサミで４つの部分に切り分けられた。２つの対角の区分は、次いで、２つのセンサー素子３００を構築するように互いに「挟まれ」、次いでこれを、１５０℃の炉内で１５分間硬化した。それぞれのセンサー素子の総厚さは、０．５０ｍｍであった。

（実施例３）
実施例１によるセンサー素子を調製し、ＶＯＣ測定試験方法に従って試験した。試験の前に、センサーは、１５０℃の炉内で１５分間加熱された。電気容量測定値は、乾燥空気中５０、１００、２００、４００、及び８００百万分率（ｐｐｍ）のＭＥＫ蒸気で、それぞれの濃度に対して２０分間の暴露時間で行われた。ＭＥＫ暴露は、濃度の幅広い範囲にわたって良好なセンサー感度を示した。

これらの実験的な結果は、ΔＣ／Ｃ_０対濃度の形態で、表１（下記）報告され、式中、Ｃ_０は、ＭＥＫ不在下での、同一の温度におけるセンサー素子のベースライン電気容量であり、ΔＣは、測定された電気容量とベースライン電気容量との間の差である。

（実施例４）
実施例２によるセンサー素子を調製し、相対湿度％測定試験方法に従って試験した。測定を行う前に、センサー素子は１５０℃の炉内で１５分間加熱された。測定は０．０％〜８５．１％の範囲、そして次いで、０．０％に戻される、異なるレベルの相対湿度で行われた。水分への暴露は、幅広い範囲の％ＲＨにわたって良好なセンサー素子の感度を示し、これはＯｍｅｇａＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｉｎｃ．からのｉＴＨＸ−Ｍ湿度計に匹敵するものであった。結果は、表２（下記）に報告されており、式中、Ｃ_０は、水蒸気不在下での、同一の温度におけるセンサー素子のベースライン電気容量であり、ΔＣは、測定された電気容量とベースライン電気容量との間の差である。

当業者であれば、より詳細に付属の「特許請求の範囲」に記載される本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく本開示に対する他の改変及び変更を行うことが可能である。異なる実施形態の態様を異なる実施形態の他の態様と部分的若しくは全体的に互換すること又は組み合わせることが可能である点は理解されるであろう。特許証のための上記の出願において引用された、参照文献、特許、又は特許出願はいずれも一貫性を有するようにそれらの全容を本明細書に援用する。これらの援用文献の一部と本明細書との間に不一致又は矛盾がある場合、上記の説明文における情報が優先するものとする。特許請求される開示内容を当業者が実行することを可能ならしめるために示される上記の説明文は、「特許請求の範囲」及びそのすべての均等物によって規定される本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims

内表面及び外表面を有する第１の導電性電極であって、前記第１の導電性電極が、相互接続する炭素繊維を備える、第１の導電性電極と、
内表面及び外表面を有する第２の導電性電極であって、前記第２の導電性電極が多孔性であり、かつ相互接続する炭素繊維を含み、前記第１の導電性電極及び前記第２の導電性電極のうち少なくとも１つが多孔性である、第２の導電性電極と、
厚さを有し、かつ前記第１の導電性電極と前記第２の導電性電極との間に配置される多孔性の誘電性検出層であって、前記多孔性の誘電性検出層が、剛性のモノマー単位間、捩れたモノマー単位間、又は剛性のモノマー単位と捩れたモノマー単位との間のジベンゾジオキサン結合を含有する固有微多孔性ポリマーを含む収着剤を含み、前記第１の導電性電極の前記内表面と前記第２の導電性電極の前記内表面とが、少なくとも前記多孔性の誘電性検出層の前記厚さによって分離される、多孔性の誘電性検出層と、を備え、
前記多孔性の誘電性検出層の前記収着剤中には、前記第１の導電性電極と前記第２の導電性電極との間の電気的短絡を防止するように多孔性の誘電性セパレータが配置され、前記多孔性の誘電性セパレータが、紙の層、微多孔性のポリマーフィルム、又は不織布の層を備え、前記多孔性の誘電性検出層が、前記多孔性の誘電性セパレータの両側に固有微多孔性ポリマー溶液をコーティングすることにより得られたものである、センサー素子。
センサー素子を作製する方法であって、
多孔性の誘電性検出層を第１の導電性電極上に配置することであり、前記多孔性の誘電性検出層が収着剤を備え、前記第１の導電性電極が内表面及び外表面を有し、前記第１の導電性電極が、相互接続している炭素繊維を備える、多孔性の誘電性検出層を配置することと、
第２の導電性電極を前記多孔性の誘電性検出層上に配置することであり、前記第２の導電性電極が内表面及び外表面を有し、前記第２の導電性電極が、相互接続する炭素繊維を備え、前記第１の導電性電極及び前記第２の導電性電極のうち少なくとも１つが多孔性である、第２の導電性電極を配置することと、を含み、
前記多孔性の誘電性検出層が、厚さを有し、かつ前記第１の導電性電極と前記第２の導電性電極との間に配置されかつ前記第１の導電性電極及び前記第２の導電性電極に接触し、前記収着剤が、剛性のモノマー単位間、捩れたモノマー単位間、又は剛性のモノマー単位と捩れたモノマー単位との間のジベンゾジオキサン結合を含む固有微多孔性ポリマーを含み、前記第１の導電性電極の前記内表面と前記第２の導電性電極の前記内表面とが、少なくとも前記多孔性の誘電性検出層の前記厚さによって分離されており、前記多孔性の誘電性検出層の前記収着剤中には、前記第１の導電性電極と前記第２の導電性電極との間の電気的短絡を防止するように多孔性の誘電性セパレータが配置され、前記多孔性の誘電性セパレータが、紙の層、微多孔性のポリマーフィルム、又は不織布の層を備え、前記多孔性の誘電性検出層が、前記多孔性の誘電性セパレータの両側に固有微多孔性ポリマー溶液をコーティングすることにより得られたものである、方法。
検体蒸気を分析する方法であって、
センサー素子を用意することであり、
内表面及び外表面を有する第１の導電性電極であり、前記第１の導電性電極が、相互接続する炭素繊維を備える、第１の導電性電極と、
内表面及び外表面を有する第２の導電性電極であって、前記第２の導電性電極が、相互接続する炭素繊維を含み、前記第１の導電性電極及び前記第２の導電性電極のうち少なくとも１つが多孔性である、第２の導電性電極と、
厚さを有し、かつ前記第１の導電性電極と前記第２の導電性電極との間に配置される多孔性の誘電性検出層であり、前記多孔性の誘電性検出層が、剛性のモノマー単位間、捩れたモノマー単位間、又は剛性のモノマー単位と捩れたモノマー単位との間のジベンゾジオキサン結合を含有する固有微多孔性ポリマーを含む収着剤を含み、前記第１の導電性電極の前記内表面と前記第２の導電性電極の前記内表面とが、少なくとも前記多孔性の誘電性検出層の前記厚さによって分離される、多孔性の誘電性検出層と、を備え、前記多孔性の誘電性検出層の前記収着剤中には、前記第１の導電性電極と前記第２の導電性電極との間の電気的短絡を防止するように多孔性の誘電性セパレータが配置され、前記多孔性の誘電性セパレータが、紙の層、微多孔性のポリマーフィルム、又は不織布の層を備え、前記多孔性の誘電性検出層が、前記多孔性の誘電性セパレータの両側に固有微多孔性ポリマー溶液をコーティングすることにより得られたものである、センサー素子を用意することと、
前記センサー素子を、前記検体蒸気を含む気体状サンプルに暴露することと、
前記センサー素子の電気容量及び別の電気的な特性のうち少なくとも１つを測定することと、
前記センサー素子の電気容量及び別の電気的な特性のうち少なくとも１つに基づいて、前記気体状サンプル中の前記検体蒸気の量及び前記検体蒸気の化学的同一性のうち少なくとも１つを判定することと、を含む方法。