JP6583858B2 - Capacitive gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、湿度等の計測に用いられる容量型ガスセンサに関する。 The present invention relates to a capacitive gas sensor used in the measurement of humidity.
容量型の湿度センサは、水分の吸着によって誘電率が変化する感湿膜（感応膜）の静電容量を計測することにより湿度を検知するものである。容量型の湿度センサには、感湿膜上にくし歯状に電極を配置し、電極間の容量を計測する構成としたもの（引用文献１）や、感湿膜を厚さ方向に挟む電極を配置して感湿膜の容量を計測する構成としたものがある（特許文献２、３）。本発明者は、感応膜の外表面に設ける電極層をナノカーボン材により形成することにより、感応膜へのガス透過性を向上させ、１秒以下の応答特性が得られる容量型ガスセンサを提案している（特許文献４）。 The capacitive humidity sensor detects humidity by measuring the capacitance of a moisture sensitive film (sensitive film) whose dielectric constant changes due to moisture adsorption. The capacitive humidity sensor has a configuration in which electrodes are arranged in a comb-tooth shape on the moisture sensitive film and the capacitance between the electrodes is measured (Cited document 1), or an electrode that sandwiches the moisture sensitive film in the thickness direction. Are arranged to measure the capacity of the moisture sensitive film (Patent Documents 2 and 3). The present inventor has proposed a capacitive gas sensor that improves the gas permeability to the sensitive membrane by forming the electrode layer provided on the outer surface of the sensitive membrane with a nanocarbon material, and obtains response characteristics of 1 second or less. (Patent Document 4).
ところで、近年、湿度センサには、エアコンによる空調管理といった一般的な湿度検知の他に、冷蔵庫内での低湿度、高湿度状態を検知する、乾燥機や電子レンジといった高温での湿度状態を検知する、呼気中の湿度を検知するといった、さまざまな用途での使用が求められている。
これらの用途に対応できるようにするには、容量型ガスセンサの感度、応答特性の改善に加えて、測定環境下における安定性、小型化による各種機器との複合利用の可能性を高める必要がある。
本発明は、ガスの検知感度と応答特性に優れ、小型化が可能で、回路部品として容易に搭載可能な容量型ガスセンサを提供することを目的とする。
By the way, in recent years, in addition to general humidity detection such as air conditioning management by air conditioners, humidity sensors detect low humidity and high humidity conditions in the refrigerator, and detect humidity conditions at high temperatures such as dryers and microwave ovens. Therefore, it is required to be used for various purposes such as detecting humidity during expiration.
To be able to support these applications, in addition to improving the sensitivity and response characteristics of capacitive gas sensors, it is necessary to increase the stability in the measurement environment and the possibility of combined use with various devices due to miniaturization. .
The present invention is excellent in response characteristics and detection sensitivity of the gas, it can be miniaturized, and to provide a readily mountable capacitive gas sensor as a circuit component.
本発明に係る容量型ガスセンサは、基板上に、第１の電極層と、第１の電極層を被覆する感応膜と、前記第１の電極層に対向して前記感応膜の表面に設けられた第２の電極層とを備え、該第２の電極層が、ナノカーボン材と樹脂との複合材料からなる容量型ガスセンサであって、前記基板として、前記第１の電極層を兼ねる導電性を有するシリコン基板が用いられ、前記感応膜が感光性樹脂からなるとともに、前記シリコン基板の表面を被覆するSiO 2 膜の上に形成され、前記第２の電極層が、前記感応膜に用いられている樹脂と同一の樹脂と前記ナノカーボン材とからなる複合電極として形成され、前記ナノカーボン材が互いに絡み合った網目状に形成されることにより導電性と通気性を備え、かつ、前記感応膜と一体的に形成されていることを特徴とする。 Capacity type gas sensor according to the present invention, on a substrate, provided on the surface of the first electrode layer, and the sensitive film covering the first electrode layer, the sensitive film before Symbol opposite the first electrode layer and a second electrode layer that is, the second electrode layer, a capacitive gas sensor comprising a composite material of nano carbon material and a resin, as the substrate, serves as the first electrode layer A conductive silicon substrate is used, and the sensitive film is made of a photosensitive resin , and is formed on an SiO 2 film covering the surface of the silicon substrate, and the second electrode layer is formed on the sensitive film. It is formed as a composite electrode composed of the same resin as the resin used and the nanocarbon material, and the nanocarbon material is formed in a mesh shape intertwined with each other, thereby providing conductivity and air permeability, and sensitive film that you have been integrally formed The features.
また、本発明に係る容量型ガスセンサにおいては、前記感応膜として、前記感光性樹脂にかえてフッ素化ポリイミドが好適に用いられる。In the capacitive gas sensor according to the present invention, a fluorinated polyimide is preferably used as the sensitive film instead of the photosensitive resin.
また、本発明に係る容量型ガスセンサにおいては、前記ナノカーボン材として、SWCNT、MWCNT、DWCNT、グラフェンから選ばれる一種、もしくは複数種が好適に用いられる。In the capacitive gas sensor according to the present invention, one or more kinds selected from SWCNT, MWCNT, DWCNT, and graphene are preferably used as the nanocarbon material.
本発明に係る容量型ガスセンサにおいては、前記第２の電極層が、前記感応膜の厚さの数倍程度の厚さに設定されていること、また、前記感応膜の厚さが0.4〜1.5μm、前記第２の電極層の厚さが0.75〜13μmに設けられていることが有効である。In the capacitive gas sensor according to the present invention, the second electrode layer is set to a thickness several times the thickness of the sensitive film, and the thickness of the sensitive film is 0.4 to 1.5. It is effective that the thickness of the second electrode layer is 0.75 to 13 μm.
本発明に係る容量型ガスセンサは、水分を検知して湿度センサとして使用することができるが、湿度センサとして利用する他に、アルコールやアルデヒド等の有機化合物を検出するセンサとして利用することが可能である。 The capacitive gas sensor according to the present invention can be used as a humidity sensor by detecting moisture, but besides being used as a humidity sensor, it can be used as a sensor for detecting organic compounds such as alcohol and aldehyde. is there.
本発明に係る容量型ガスセンサは、高感度でかつ応答特性に優れた容量型ガスセンサとして提供することができる。
Capacitive gas sensor according to the present invention can be provided as an excellent capacity type gas sensor with high sensitivity and response characteristics.
（容量型ガスセンサの構成例）
図１は、感応膜に感光性樹脂を使用した容量型ガスセンサ１０の断面図である。この容量型ガスセンサ１０は、基板１２上に、第１の電極層１４と感応膜１６と第２の電極層１８とを、この順に積層した構成を備える。基板１２には、第１の電極層１４と第２の電極層１８と容量計とを接続する接続パッド（不図示）を、それぞれ第１の電極層１４と第２の電極層１８に個別に接続して設ける。
(Configuration example of capacitive gas sensor)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a capacitive gas sensor 10 using a photosensitive resin as a sensitive film. The capacitive gas sensor 10 has a configuration in which a first electrode layer 14, a sensitive film 16, and a second electrode layer 18 are laminated on a substrate 12 in this order. On the substrate 12, connection pads (not shown) for connecting the first electrode layer 14, the second electrode layer 18 and the capacitance meter are individually provided on the first electrode layer 14 and the second electrode layer 18, respectively. Connect and provide.
基板１２は容量型ガスセンサの素子を支持する支持部材であり、基板１２には、ガラス基板や樹脂基板、フレキシブル基板、シリコン基板を用いることができる。透明電極（ITO）付きガラス基板を用いれば、透明電極を第１の電極層１４としてセンサを構築することができる。樹脂基板やシリコン基板を使用すれば、回路基板やシリコンチップに回路部品として搭載することができ、フレキシブル基板を使用することで各種基板と組み合わせて使用することができる。 The substrate 12 is a support member that supports an element of the capacitive gas sensor. As the substrate 12, a glass substrate, a resin substrate, a flexible substrate, or a silicon substrate can be used. If a glass substrate with a transparent electrode (ITO) is used, a sensor can be constructed using the transparent electrode as the first electrode layer 14. If a resin substrate or a silicon substrate is used, it can be mounted as a circuit component on a circuit substrate or a silicon chip, and can be used in combination with various substrates by using a flexible substrate.
第１の電極層１４は、第２の電極層１８とで感応膜１６を厚さ方向に挟む配置とすることでキャパシタを構成する。第１の電極層１４は電極として作用するものであればその材質は限定されるものではなく、透明電極（ITO)、あるいはCu、Al、Au等の導体金属、Agナノ粒子等のナノ金属粒子等が利用できる。第１の電極層１４を形成する方法も、塗布法、スパッタリング法、めっき法等の適宜成膜方法が利用できる。 The first electrode layer 14 constitutes a capacitor by disposing the sensitive film 16 in the thickness direction with the second electrode layer 18. The material of the first electrode layer 14 is not limited as long as it functions as an electrode, and is a transparent electrode (ITO), a conductive metal such as Cu, Al, or Au, or a nano metal particle such as an Ag nanoparticle. Etc. are available. As a method for forming the first electrode layer 14, a suitable film forming method such as a coating method, a sputtering method, a plating method, or the like can be used.
感応膜１６は、電気容量変化を検知するためのキャパシタを構成する誘電体となるものであり、適宜誘電材料によって形成される。誘電材料としては、非導電性高分子が利用できる。とくにフッ素化ポリイミド（FPI)は、ポリイミドの有する親水性とフッ素の有する疎水性を備えることから、応答特性に優れ感応膜として好適に利用できる。 The sensitive film 16 becomes a dielectric constituting a capacitor for detecting a change in capacitance, and is appropriately formed of a dielectric material. A non-conductive polymer can be used as the dielectric material. In particular, fluorinated polyimide (FPI) has a hydrophilic property possessed by polyimide and a hydrophobic property possessed by fluorine, and therefore has excellent response characteristics and can be suitably used as a sensitive membrane.
フッ素化ポリイミドの他に感光性樹脂を使用することもできる。感光性樹脂は露光及び現像操作によって所定パターンに形成できることから、回路基板等の製造工程において広く用いられている。感応膜１６に感光性樹脂を用いることができれば、センサの大きさや形状、センサを配置する位置をパターニングにより任意に設定することができ、基板に容易に作り込むことができ、小型化が容易に可能になるという利点がある。 A photosensitive resin can also be used in addition to the fluorinated polyimide. Since the photosensitive resin can be formed into a predetermined pattern by exposure and development operations, it is widely used in the manufacturing process of circuit boards and the like. If a photosensitive resin can be used for the sensitive film 16, the size and shape of the sensor and the position where the sensor is arranged can be arbitrarily set by patterning, which can be easily built into the substrate and can be easily downsized. There is an advantage that it becomes possible.
第２の電極層１８は、樹脂とカーボンナノチューブとの複合材料から形成される。この第２の電極層１８は、カーボンナノチューブが互いに絡み合った網目状に形成され、所要の導電性と通気性（ガス透過性）を備える。カーボンナノチューブが網目状に形成されることにより、第２の電極層１８には、10nm〜数百nmの開口部（ガスが通過する部分）がいたるところに形成され、開口部を介して第２の電極層１８の厚さ方向に、ガス（水分子）が簡単に移動可能となる。こうして、第２の電極層１８は、キャパシタを構成する電極としての作用と、ガス（水分子）の流通を妨げずに、感応膜１６にガス（水分子）を透過させ、感応膜１６から離脱するガス（水分子）を放出する作用をなす。 The second electrode layer 18 is formed from a composite material of resin and carbon nanotubes. The second electrode layer 18 is formed in a mesh shape in which carbon nanotubes are entangled with each other, and has required conductivity and air permeability (gas permeability). By forming the carbon nanotubes in a network shape, the second electrode layer 18 is formed with openings of 10 nm to several hundreds of nm (portions through which gas passes) everywhere. Gas (water molecules) can easily move in the thickness direction of the electrode layer 18. Thus, the second electrode layer 18 allows the gas (water molecules) to permeate the sensitive film 16 and does not interfere with the action as an electrode constituting the capacitor and the flow of the gas (water molecules). It releases the gas (water molecules).
なお、第２の電極層１８には、単層カーボンナノチューブ（SWCNT)、二層カーボンナノチューブ（DWCNT)、多層カーボンナノチューブ（MWCNT)、グラフェン等のナノカーボン材を用いることができる。ナノカーボン材は樹脂と複合化することにより、ナノカーボン材が絡み合って網目状となって、ガスが通過する開口部が形成される素材であれば適宜素材を使用することができ、複数のナノカーボン材を組み合わせて使用することができる。 The second electrode layer 18 can be made of a nanocarbon material such as a single-walled carbon nanotube (SWCNT), a double-walled carbon nanotube (DWCNT), a multi-walled carbon nanotube (MWCNT), or graphene. The nanocarbon material can be used as appropriate as long as it is a material in which the nanocarbon material is entangled with the resin so that the nanocarbon material is intertwined into a network and an opening through which gas passes is formed. A combination of carbon materials can be used.
（容量型ガスセンサの製造例）
図２及び図３は、図１に示す容量型ガスセンサ１０の製造例を示す。この容量型ガスセンサ１０はITO付きのガラス基板を用い、感応膜１６としてポリイミド系の感光性樹脂を使用し、第２の電極層１８を構成するナノカーボン材として多層カーボンナノチューブを使用した例である。
まず、透明電極付きのガラス基板を混酸によりエッチングし、第１の電極層１４をパターン形成する。第１の電極層１４をパターン形成する際に、容量計と接続するための接続パターンと接続パッドを形成する。
(Manufacturing example of capacitive gas sensor)
2 and 3 show a manufacturing example of the capacitive gas sensor 10 shown in FIG. This capacitive gas sensor 10 is an example in which a glass substrate with ITO is used, a polyimide-based photosensitive resin is used as the sensitive film 16, and multi-walled carbon nanotubes are used as the nanocarbon material constituting the second electrode layer 18. .
First, a glass substrate with a transparent electrode is etched with a mixed acid, and the first electrode layer 14 is patterned. When patterning the first electrode layer 14, a connection pattern and a connection pad for connecting to the capacitance meter are formed.
次いで、第１の電極層１４を形成した基板１２上に感応膜１６を形成する。基板１２と感応膜１６との密着性を向上させるため、感応膜１６を形成する前に、基板１２表面に紫外線照射し、シランカップリング剤を用いて表面処理した。
本実施形態では、感光性樹脂（溶液）を、第１の電極層１４を形成した基板１２上にスピンコートし（700rpm、10ｓ 1000rpm、30ｓ）、プリベーク処理（70℃、2min 120℃、10min）を施し、露光及び現像処理により、第１の電極層１４の平面配置位置に合わせて、第１の電極層１４を被覆するように感応膜１６をパターン形成した（パターニング工程）。
次いで、洗浄処理、加熱キュア（140℃、30min 350℃、1ｈ、N2ガス中）を施して感応膜１６とした。なお、実施形態で使用した感光性樹脂は、ポリイミド系の感光性樹脂（フォトニース：登録商標）である。
Next, a sensitive film 16 is formed on the substrate 12 on which the first electrode layer 14 is formed. In order to improve the adhesion between the substrate 12 and the sensitive film 16, the surface of the substrate 12 was irradiated with ultraviolet rays and surface-treated using a silane coupling agent before the sensitive film 16 was formed.
In this embodiment, a photosensitive resin (solution) is spin-coated on the substrate 12 on which the first electrode layer 14 is formed (700 rpm, 10 s, 1000 rpm, 30 s), and prebaked (70 ° C., 2 min, 120 ° C., 10 min). The sensitive film 16 was patterned so as to cover the first electrode layer 14 in accordance with the planar arrangement position of the first electrode layer 14 by exposure and development processing (patterning step).
Next, cleaning treatment and heating cure (140 ° C., 30 min 350 ° C., 1 h, in N 2 gas) were performed to form a sensitive film 16. The photosensitive resin used in the embodiment is a polyimide-based photosensitive resin (Photo Nice: registered trademark).
図２は、ITO付きのガラス基板を用いて基板１２上に第１の電極層１４を形成し、第１の電極層１４を覆うように感光性樹脂からなる感応膜１６を形成した状態である。容量計に接続される接続パッド（不図示）は感応膜１６の平面領域よりも外側に引き出して形成する。 FIG. 2 shows a state in which a first electrode layer 14 is formed on a substrate 12 using a glass substrate with ITO, and a sensitive film 16 made of a photosensitive resin is formed so as to cover the first electrode layer 14. . A connection pad (not shown) connected to the capacitance meter is formed so as to be drawn outside the plane region of the sensitive film 16.
次に、感応膜１６の表面に第２の電極層１８を形成する。本実施形態では、スタンパを利用して転写する方法により第２の電極層１８を形成した。
図３(a)は、スタンパ２０のスタンプ面に、第２の電極層１８となるナノカーボン材を含む電極材料２４を供給した状態を示す。電極材料２４はスタンパ２０のスタンプ面（凸版）の全面に供給する。
スタンパ２０は基板２１の表面に柔軟性のあるPDMS（ポリジメチルシロキサン）を凸版状に被着形成したものである。PDMSは離型性が良く、スタンパの凸版材料として好適に使用することができる。スタンパ２０には感応膜１６の平面形状に合わせて凸版２２が形成されている。実施形態では、感応膜１６の平面領域よりも若干広い平面領域を被覆するように凸版を形成した。
Next, the second electrode layer 18 is formed on the surface of the sensitive film 16. In the present embodiment, the second electrode layer 18 is formed by a transfer method using a stamper.
FIG. 3A shows a state in which an electrode material 24 containing a nanocarbon material to be the second electrode layer 18 is supplied to the stamp surface of the stamper 20. The electrode material 24 is supplied to the entire stamp surface (letter plate) of the stamper 20.
The stamper 20 is formed by depositing flexible PDMS (polydimethylsiloxane) in a relief pattern on the surface of the substrate 21. PDMS has good releasability and can be suitably used as a relief material for stampers. A relief plate 22 is formed on the stamper 20 in accordance with the planar shape of the sensitive film 16. In the embodiment, the relief printing plate is formed so as to cover a planar area slightly wider than the planar area of the sensitive film 16.
スタンパ２０のスタンプ面に、電極材料２４を供給する操作は、次のようにして行った。まず、MWCNTをイソプロピルアルコールに分散させた分散液をスタンパ２０上にスピンコートし（4000rpm、30ｓ）、次いで、SWCNTをイソプロピルアルコールに分散させた分散液をディップコート（2mm/s）した後、さらに、スタンプ面に感光性樹脂の前駆体であるポリアミド酸の樹脂（溶液）をスピンコートし（700rpm、10ｓ 4000rpm、30ｓ）、60℃で乾燥させ、溶剤を散逸させた。感光性樹脂は感応膜１６に用いた感光性樹脂と同一のものである。 The operation of supplying the electrode material 24 to the stamp surface of the stamper 20 was performed as follows. First, a dispersion liquid in which MWCNT is dispersed in isopropyl alcohol is spin-coated on the stamper 20 (4000 rpm, 30 s), and then a dispersion liquid in which SWCNT is dispersed in isopropyl alcohol is dip-coated (2 mm / s). The stamp surface was spin-coated with a polyamic acid resin (solution) as a precursor of a photosensitive resin (700 rpm, 10 s 4000 rpm, 30 s) and dried at 60 ° C. to dissipate the solvent. The photosensitive resin is the same as the photosensitive resin used for the sensitive film 16.
スタンパ２０に電極材料２４を供給する操作として、まずカーボンナノチューブの分散液を供給する操作を行う理由は、ナノカーボン材（カーボンナノチューブ）をはじめに供給することで、スタンパ面にナノカーボン材を接触させるようにし、ナノカーボン材の離型性の良さを利用して電極材料２４が容易に転写されるようにするためである。
ナノカーボン材の分散液を供給した後に感光性樹脂の前駆体となる樹脂（溶液）を供給するのは、感応膜１６を構成する感光性樹脂と電極材料２４とをなじませ、感応膜１６と電極材料２４（第２の電極層１８）との密着性を向上させるためである。
As an operation of supplying the electrode material 24 to the stamper 20, the reason for performing the operation of supplying the carbon nanotube dispersion first is to first supply the nanocarbon material (carbon nanotube), thereby bringing the nanocarbon material into contact with the stamper surface. This is because the electrode material 24 is easily transferred using the good releasability of the nanocarbon material.
Supplying the resin (solution) that becomes the precursor of the photosensitive resin after supplying the nanocarbon material dispersion causes the photosensitive resin constituting the sensitive film 16 and the electrode material 24 to blend together, This is for improving the adhesion with the electrode material 24 (second electrode layer 18).
図３(b)は、スタンパ２０から基板１２に電極材料２４を転写する操作を行っている状態を示す。スタンパ面を基板１２上の感応膜１６の平面配置位置に合わせてスタンパ２０をプレスすることにより。スタンパ２０から感応膜１６に電極材料２４が転写される。実施形態では、感応膜１６の平面領域よりもスタンパ２０のスタンプ面をやや広くとり、感応膜１６の側面にも電極材料２４が転写されるようにしている。
転写操作は150℃、加圧力2.7MPaで5分間で行った。転写後、加熱キュア操作（140℃、30min 350℃、1ｈ、N2ガス中）により第２の電極層１８を形成した。
FIG. 3B shows a state where an operation for transferring the electrode material 24 from the stamper 20 to the substrate 12 is performed. By pressing the stamper 20 with the stamper surface aligned with the planar arrangement position of the sensitive film 16 on the substrate 12. The electrode material 24 is transferred from the stamper 20 to the sensitive film 16. In the embodiment, the stamp surface of the stamper 20 is slightly wider than the planar region of the sensitive film 16, and the electrode material 24 is transferred also to the side surface of the sensitive film 16.
The transfer operation was performed at 150 ° C. and a pressure of 2.7 MPa for 5 minutes. After the transfer, the second electrode layer 18 was formed by a heat curing operation (140 ° C., 30 min, 350 ° C., 1 h, in N 2 gas).
図１が、上述した操作によって作製した容量型ガスセンサ１０である。第２の電極層１８が感光性樹脂からなる感応膜１６の側面を含む露出面を被覆している。なお、容量計に接続される接続パッドのうち第２の電極層１８に接続するものは第２の電極層１８の側面から引き出され、第１の電極層１４に接続するものは第２の電極層１８と短絡しない配置として引き出される。 FIG. 1 shows a capacitive gas sensor 10 produced by the above-described operation. The second electrode layer 18 covers the exposed surface including the side surface of the sensitive film 16 made of a photosensitive resin. Of the connection pads connected to the capacitance meter, those connected to the second electrode layer 18 are drawn out from the side surfaces of the second electrode layer 18, and those connected to the first electrode layer 14 are the second electrodes. It is drawn out as an arrangement that does not short circuit with layer 18.
（容量型ガスセンサの特性）
図４は、上述した方法によって作製した容量型ガスセンサ（感応膜１６として感光性樹脂を使用している）の相対湿度と静電容量との相関関係を測定した結果を示すグラフである。図４では、30℃、50℃、70℃でそれぞれ加湿したとき、除湿したときの静電容量値を示す。この測定結果をみると、0％〜90％の広い湿度範囲で静電容量が高精度に線形応答していることがわかる。また、温度を変えたときの静電容量値の変化量が僅かであり、温度に対して安定した特性を有することがわかる。
(Characteristics of capacitive gas sensor)
FIG. 4 is a graph showing the results of measuring the correlation between the relative humidity and the capacitance of a capacitive gas sensor (using a photosensitive resin as the sensitive film 16) produced by the method described above. FIG. 4 shows capacitance values when dehumidified when humidified at 30 ° C., 50 ° C., and 70 ° C., respectively. From this measurement result, it can be seen that the capacitance has a linear response with high accuracy in a wide humidity range of 0% to 90%. Further, it can be seen that the amount of change in the capacitance value when the temperature is changed is slight, and the characteristics are stable with respect to the temperature.
図５は、比較例として、図１と同一の構成を有する容量型ガスセンサにおいて、感応膜１６を代表的なポリイミドであるKapton(登録商標）型ポリイミドにより形成したセンサについて、相対湿度と静電容量との相関関係を測定した結果を示す。この場合は、相対湿度と静電容量との間に一定の線形応答特性は見られるものの、温度を変えた場合に、静電容量値が大きく変動する結果となった。したがって、温度安定性の面から見ると、このタイプの容量型ガスセンサは適していないといえる。 FIG. 5 shows, as a comparative example, the relative humidity and capacitance of a capacitive gas sensor having the same configuration as FIG. 1 in which the sensitive film 16 is formed of Kapton (registered trademark) polyimide, which is a representative polyimide. The result of measuring the correlation with is shown. In this case, although a constant linear response characteristic was observed between the relative humidity and the capacitance, the capacitance value greatly fluctuated when the temperature was changed. Therefore, it can be said that this type of capacitive gas sensor is not suitable in terms of temperature stability.
図６、７は、図１と同一の構成を有する容量型ガスセンサにおいて、感応膜１６に感光性樹脂（PPI：Photosensitive Polyimide)、フッ素化ポリイミド（FPI)、ポリイミド（KPI Kapton：登録商標）を使用した場合について、応答時間を測定したグラフである。図６は加湿時（立ち上がり）、図７は除湿時（立下り）の静電容量値の測定結果を示す。
図６、７において特徴的な点は、感応膜１６としてFPI、KPIを使用した場合と比較してPPIを使用した場合は、湿度の変化に対する静電容量値の変化量が大きいということである。静電容量値の変化量が大きいということはPPIはFPIやKPIと比較して湿度の感度が優れていることを示す。
6 and 7 are capacitive gas sensors having the same configuration as in FIG. 1, and the photosensitive film 16 is made of photosensitive resin (PPI: Photosensitive Polyimide), fluorinated polyimide (FPI), polyimide (KPI Kapton: registered trademark). It is the graph which measured the response time about the case. FIG. 6 shows the measurement result of the capacitance value during humidification (rise), and FIG. 7 shows the measurement result of the capacitance value during dehumidification (fall).
6 and 7, the characteristic point is that when the PPI is used as the sensitive film 16, the amount of change in the capacitance value with respect to the change in humidity is larger than when the FPI and KPI are used. . A large change in capacitance value indicates that PPI has better humidity sensitivity than FPI and KPI.
表１に、３種類の感応膜について、加湿時と除湿時の応答時間をまとめた。立ち上がりの応答時間は、静電容量の初期値と飽和値の静電容量値の差の90%まで静電容量値が増加するまでの時間、立下りの応答時間は、静電容量の初期値（飽和値）と終値（最小値）の静電容量値の差の90％まで静電容量値が減少するまでの時間とした。
表１から、感応膜に感光性樹脂（PPI)を使用した場合は、フッ素化ポリイミド（FPI)を使用した場合と比較して応答時間はやや劣るものの、KPIと比較すると明確に応答時間が短くなる。これまでの実験から、容量型ガスセンサの応答時間は、感応膜の膜厚の2乗に比例することが分かっている。したがって、感光性樹脂（PPI)を使用した場合に応答時間を短縮するには膜厚を薄くすればよい。たとえば、PPIの厚さを2μｍから0.5μｍにしたとすると、応答時間は0.5秒になる。 From Table 1, when photosensitive resin (PPI) is used for the sensitive film, the response time is slightly inferior to that of using fluorinated polyimide (FPI), but clearly shorter than KPI. Become. From previous experiments, it has been found that the response time of the capacitive gas sensor is proportional to the square of the thickness of the sensitive film. Therefore, when the photosensitive resin (PPI) is used, the film thickness may be reduced in order to shorten the response time. For example, if the thickness of the PPI is changed from 2 μm to 0.5 μm, the response time is 0.5 seconds.
なお、応答特性の試験は、恒温恒湿槽内に、開閉扉を取り付けたチャンバー（内容積：約110cm3）を設置し、チャンバー内に測定対象である容量型センサをセットし、チャンバーに乾燥空気を流入させチャンバー内を乾燥状態（湿度0〜2％RH)とした後、恒温恒湿槽内を測定しようとする湿度に設定し、チャンバーの開閉扉を開き（加湿）、容量計（LCRメータ）でサンプルの静電容量の変化を計測し、開閉扉を開いてから所定時間後（100秒後）に開閉扉を閉じ、チャンバー内に乾燥空気を流入させ、除湿時の静電容量の変化を計測する方法で行った。 The response characteristic test was performed by installing a chamber with an open / close door (internal volume: approx. 110 cm 3 ) in a constant temperature and humidity chamber, setting a capacitive sensor to be measured in the chamber, and drying the chamber. After inflowing air to make the chamber dry (humidity 0-2% RH), set the humidity to be measured in the constant temperature and humidity chamber, open the chamber door (humidification), and measure the volume (LCR Meter) to measure the change in the capacitance of the sample, close the door after a predetermined time (100 seconds) after opening the door, let dry air flow into the chamber, This was done by measuring changes.
本実施形態の容量型ガスセンサは感応膜を感光性樹脂によって形成するから、感応膜は露光及び現像操作により、任意の大きさ（平面領域）に形成することができ、5mm径程度の大きさに形成することも容易である。
また、第１の電極層は、回路基板の製作で一般的に利用されている、塗布法、めっき法、スパッタリング法等の成膜方法が利用でき、感光性樹脂は回路基板のパターニングに利用されているから、回路基板の製造工程に本発明に係る容量型ガスセンサを作り込む工程を組み込むことは容易に可能であり、容量型ガスセンサを組み込んだ回路基板（樹脂基板、フレキシブル基板）として提供することができる。
Since the capacitive gas sensor of this embodiment forms a sensitive film with a photosensitive resin, the sensitive film can be formed in an arbitrary size (planar region) by exposure and development operations, and has a size of about 5 mm. It is also easy to form.
The first electrode layer can be formed by a film forming method such as a coating method, a plating method, or a sputtering method that is generally used in the manufacture of a circuit board, and the photosensitive resin is used for patterning of the circuit board. Therefore, it is possible to easily incorporate the process of making the capacitive gas sensor according to the present invention into the circuit board manufacturing process, and to provide the circuit board (resin substrate, flexible substrate) incorporating the capacitive gas sensor. Can do.
（シリコン基板を用いた容量型ガスセンサの構成例）
図８は、基板３１に導電性を有するｎ型シリコンを用いて容量型ガスセンサ３０を構成した例である。この容量型ガスセンサ３０は、基板３１上に、感応膜３２と、感応膜３２を厚さ方向に挟む配置に第２の電極層３４が形成され、基板３１と容量計とを接続する接続パッド３６が形成されたものである。ｎ型シリコンからなる基板３１が第１の電極層に相当し、基板３１と感応膜３２と第２の電極層３４とで静電容量を検知するキャパシタが構成される。
(Configuration example of capacitive gas sensor using silicon substrate)
FIG. 8 shows an example in which the capacitive gas sensor 30 is configured by using conductive n-type silicon for the substrate 31. In this capacitive gas sensor 30, a sensitive film 32 and a second electrode layer 34 are formed on a substrate 31 so as to sandwich the sensitive film 32 in the thickness direction, and a connection pad 36 for connecting the substrate 31 and the capacitance meter. Is formed. The substrate 31 made of n-type silicon corresponds to the first electrode layer, and the substrate 31, the sensitive film 32, and the second electrode layer 34 constitute a capacitor that detects capacitance.
本実施形態では、感応膜３２と接続パッド３６を所定パターンで形成するため、基板３１の表面に感光性樹脂３８をコーティングし、露光及び現像操作により、基板３１上に感応膜３２となる部位と接続パッド３６となる部位を露出させた。
感応膜３２にはフッ素化ポリイミドを使用し、フッ素化ポリイミドを感応膜３２となる部位の凹部を充填するように基板３１の表面に塗布し、加熱キュアにより感応膜３２とした。
第２の電極層３４は、前述したナノカーボン材（カーボンナノチューブ）を含む電極材料を転写する方法によって形成した。
接続パッド３６は、基板３１に導通させて設けたアルミニウム電極３６ａの表面にAgナノ粒子３６ｂを塗布して形成した。
In the present embodiment, in order to form the sensitive film 32 and the connection pads 36 in a predetermined pattern, a photosensitive resin 38 is coated on the surface of the substrate 31, and a portion that becomes the sensitive film 32 on the substrate 31 is exposed and developed. The part which becomes the connection pad 36 was exposed.
A fluorinated polyimide was used for the sensitive film 32, and the fluorinated polyimide was applied to the surface of the substrate 31 so as to fill the concave portion of the portion to be the sensitive film 32, and the sensitive film 32 was formed by heat curing.
The second electrode layer 34 was formed by a method of transferring an electrode material including the nanocarbon material (carbon nanotube) described above.
The connection pad 36 was formed by applying Ag nanoparticles 36b to the surface of an aluminum electrode 36a provided in conduction with the substrate 31.
図９は、本実施形態のシリコン基板を使用した容量型ガスセンサ３０と、感応膜をフッ素化ポリイミドとし、第１の電極層をAgナノ粒子を塗布して形成した従来型の容量型ガスセンサ（図１と同様の構成を備える）の感度を比較して示したものである。
図９は、シリコン基板を使用した容量型ガスセンサの感度が、従来型の容量型ガスセンサと比較して若干劣っていることを示す。この理由は、比較対象として従来型の容量型ガスセンサはセンサの検知部の実効面積が16mm2であるのに対して、図８のシリコン基板を用いた容量型ガスセンサでは、電極面積のうち感光性樹脂３８からなる絶縁層を介さない部分に相当する実効面積が9.6mm2で、第２の電極層３４直下の絶縁層（感光性樹脂）の部分の面積が容量値変化に寄与しないことと、水蒸気の出入りにより感応膜３２直下のシリコン基板表面のSiO2膜の容量値が変化しないことによるものである。
FIG. 9 shows a capacitive gas sensor 30 using the silicon substrate of the present embodiment, and a conventional capacitive gas sensor in which the sensitive film is made of fluorinated polyimide and the first electrode layer is formed by applying Ag nanoparticles (FIG. 9). 1 is provided for comparison in terms of sensitivity.
FIG. 9 shows that the sensitivity of a capacitive gas sensor using a silicon substrate is slightly inferior to that of a conventional capacitive gas sensor. The reason for this is that, as a comparison object, the conventional capacitive gas sensor has an effective area of 16 mm 2 for the detection part of the sensor, whereas the capacitive gas sensor using the silicon substrate of FIG. The effective area corresponding to the portion not including the insulating layer made of the resin 38 is 9.6 mm 2 , and the area of the insulating layer (photosensitive resin) immediately below the second electrode layer 34 does not contribute to the change in the capacitance value; This is because the capacitance value of the SiO 2 film on the surface of the silicon substrate immediately below the sensitive film 32 does not change due to the entry and exit of water vapor.
本実施形態の容量型ガスセンサ３０は、感光性樹脂３８を利用してセンサの検知部分をパターニングして形成するから、センサを容易に小型化することができるという利点がある。また、本実施形態では、感応膜３２としてフッ素化ポリイミドを使用したが、前述したように感光性樹脂そのものを感応膜として利用することもできる。その場合は、センサの検知部分として感光性樹脂をパターニングし、パターニングした感光性樹脂に合わせて第２の電極層を形成すればよい。
また、第１の電極層を兼ねて導電性のシリコン基板３１を使用することで、容量型ガスセンサのチップ部品として構築することができ、回路基板への搭載用部品として利用することも可能となる。また、シリコン基板に静電容量値を検知する検知用回路を組み込むことにより、さらに汎用的に利用できるチップ部品として構築することも可能である。
Since the capacitive gas sensor 30 of the present embodiment is formed by patterning the detection portion of the sensor using the photosensitive resin 38, there is an advantage that the sensor can be easily downsized. In this embodiment, fluorinated polyimide is used as the sensitive film 32. However, as described above, the photosensitive resin itself can be used as the sensitive film. In that case, a photosensitive resin may be patterned as a detection portion of the sensor, and the second electrode layer may be formed in accordance with the patterned photosensitive resin.
Further, by using the conductive silicon substrate 31 also serving as the first electrode layer, it can be constructed as a chip part of a capacitive gas sensor and can be used as a component for mounting on a circuit board. . Further, by incorporating a detection circuit for detecting a capacitance value into a silicon substrate, it is possible to construct a chip component that can be used more generally.
（第２の電極層による作用）
前述したように、本発明に係る容量型ガスセンサでは、静電容量値を検知するキャパシタの第２の電極層（感応膜にガスが出入りする露出面側の電極層）として、ナノカーボン材を含む複合電極を用いる。ナノカーボン材を用いるのは、第２の電極層を網目状の電極としてガス（水分等）が容易に透過できるようにするためである。
容量型ガスセンサの応答特性に第２の電極層がどのように作用するかを調べるため、第２の電極層の厚さを変えたときの応答特性について調べた。
(Operation by the second electrode layer)
As described above, the capacitive gas sensor according to the present invention includes a nanocarbon material as the second electrode layer of the capacitor that detects the capacitance value (the electrode layer on the exposed surface side where gas enters and exits the sensitive film). A composite electrode is used. The reason why the nanocarbon material is used is that the second electrode layer can be used as a mesh electrode so that gas (moisture or the like) can be easily transmitted.
In order to investigate how the second electrode layer acts on the response characteristics of the capacitive gas sensor, the response characteristics when the thickness of the second electrode layer was changed were examined.
第２の電極層は転写操作を繰り返すことによりより厚く形成することができる。また、転写に用いるナノカーボン材の分散液の濃度を変えたり、電極層と複合化して用いる樹脂の前駆体の溶液の量（厚さ）を変えることによって厚さを調節することができる。
図１０、１１は、転写操作を繰り返して第２の電極層を厚く形成した例を示す。図１０は転写操作を１５回行った場合、図１１は転写操作を３０回行った場合のセンサの断面SEM像である。図１０、１１において、A部分がガラス基板上のITO電極（第１の電極層）で、図１０では厚さ167nm、図１１では厚さ165nmである。B部分が感応膜のフッ素化ポリイミド層で、図１０、１１ともに、厚さ350nmである。C部分が第２の電極層で図１０では厚さ750nm、図１１では1200nmである。D部分は第２の電極層の表面位置を知るために設けたAu層（25nm）である。
上記サンプルは、スタンパにMWCNTをスピンコートし、SWCNTをディップコート、さらにフッ素化ポリイミド（FPI)をスピンコートして転写したものである。
The second electrode layer can be formed thicker by repeating the transfer operation. In addition, the thickness can be adjusted by changing the concentration of the dispersion of the nanocarbon material used for transfer or changing the amount (thickness) of the resin precursor solution used in combination with the electrode layer.
10 and 11 show an example in which the second electrode layer is formed thick by repeating the transfer operation. FIG. 10 is a cross-sectional SEM image of the sensor when the transfer operation is performed 15 times, and FIG. 11 is a cross-sectional SEM image of the sensor when the transfer operation is performed 30 times. 10 and 11, the portion A is an ITO electrode (first electrode layer) on a glass substrate, which has a thickness of 167 nm in FIG. 10 and a thickness of 165 nm in FIG. B part is a fluorinated polyimide layer of the sensitive film, and the thickness is 350 nm in both FIGS. The portion C is the second electrode layer, which has a thickness of 750 nm in FIG. 10 and 1200 nm in FIG. D portion is an Au layer (25 nm) provided to know the surface position of the second electrode layer.
In the above sample, MWCNT is spin-coated on a stamper, SWCNT is dip-coated, and fluorinated polyimide (FPI) is spin-coated and transferred.
このように転写操作を繰り返すことにより、第２の電極層を厚く形成することができる。
図１２に第２の電極層の厚さを変えた容量型ガスセンサについて応答時間を測定した結果を示す。表２に、第２の電極層の膜厚に対する応答時間を示す。測定したガスセンサは図１と同様の構成を備えるセンサで、フッ素化ポリイミドを感応膜とし、第２の電極層をカーボンナノチューブとフッ素化ポリイミドの複合電極としたものである。
FIG. 12 shows the result of measuring the response time for a capacitive gas sensor with the second electrode layer having a different thickness. Table 2 shows the response time with respect to the film thickness of the second electrode layer. The measured gas sensor is a sensor having the same configuration as in FIG. 1, and a fluorinated polyimide is used as a sensitive film, and the second electrode layer is a composite electrode of carbon nanotubes and fluorinated polyimide.
表２に示す測定結果は、第２の電極層の厚さを数μｍ程度まで厚くしても、応答時間は1秒程度であり、応答時間の特性の劣化を大きくは招かないことを意味する。すなわち、ナノカーボン材と樹脂との複合電極構造とした第２の電極層は優れたガス透過性を備えていることがわかる。
容量型のガスセンサの応答特性（応答時間）は、感応膜の膜厚を薄くすることにより向上することが分かっている。第２の電極層は感応膜の外面を被覆するように設けるから、第２の電極層の厚さをある程度厚くして感応膜を保護するようにすることで、感度及び応答特性にすぐれ、安定性、耐久性を備えた容量型ガスセンサとすることができる。
The measurement results shown in Table 2 indicate that even if the thickness of the second electrode layer is increased to about several μm, the response time is about 1 second and the response time characteristics are not greatly deteriorated. . That is, it can be seen that the second electrode layer having a composite electrode structure of nanocarbon material and resin has excellent gas permeability.
It has been found that the response characteristic (response time) of the capacitive gas sensor is improved by reducing the thickness of the sensitive film. Since the second electrode layer is provided so as to cover the outer surface of the sensitive film, the sensitivity and response characteristics are excellent and stable by protecting the sensitive film by increasing the thickness of the second electrode layer to some extent. And a capacitive gas sensor having durability and durability.
（第２の電極層の他の形成方法）
上記例においては第２の電極層を形成する方法として転写法を利用したが、第２の電極層を形成する方法は転写法に限られるものではなく、塗布法を利用することも可能である。塗布法による場合は、基板上に感応膜を形成した後、ナノカーボン材料の分散液を塗布して第２の電極層とする。この場合は、感応膜を加熱キュアする前にナノカーボン材の分散液を塗布してから、加熱キュア工程を行って感応膜を形成するとともに第２の電極層を形成するとよい。
(Other methods for forming the second electrode layer)
In the above example, the transfer method is used as a method of forming the second electrode layer. However, the method of forming the second electrode layer is not limited to the transfer method, and a coating method can also be used. . In the case of the application method, after forming a sensitive film on the substrate, a nanocarbon material dispersion is applied to form a second electrode layer. In this case, it is preferable to apply the dispersion liquid of the nanocarbon material before the sensitive film is heat-cured, and then perform the heat curing process to form the sensitive film and form the second electrode layer.
第２の電極層を形成するさらに他の方法として、ナノリットル単位で塗布量を制御して所定のパターンで描画することができる超微量ディスペンサを用いて第２の電極層を形成することができる。
超微量ディスペンサを用いれば、カーボンナノチューブを分散液に分散させたカーボンナノチューブの分散液や、感光性樹脂（ポリイミド）の前駆体と分散液の混合液あるいは感光性樹脂の前駆体にカーボンナノチューブを分散させた分散液を用いて線描画することにより、きわめて細線のパターンを形成することができる。
前述したように第１の電極層の上に感応膜をコーティングした後、カーボンナノチューブの分散液を超微量ディスペンサを用いて、微細間隔の平行線状あるいは微細格子状に描画することにより、前述したスタンパを用いて網目状に形成した第２の電極層と同様の機能を備える第２の電極層を形成することができる。
As yet another method for forming the second electrode layer, the second electrode layer can be formed using an ultra-small dispenser capable of drawing in a predetermined pattern by controlling the coating amount in nanoliter units. .
Using an ultra-small dispenser, carbon nanotubes are dispersed in a dispersion of carbon nanotubes in which carbon nanotubes are dispersed in a dispersion, a mixture of a precursor of a photosensitive resin (polyimide) and a dispersion, or a precursor of a photosensitive resin. By drawing a line using the dispersed liquid, an extremely fine line pattern can be formed.
As described above, after coating the sensitive film on the first electrode layer, the dispersion of carbon nanotubes is drawn into a parallel line or a fine grid with fine intervals using an ultra-small dispenser. A second electrode layer having a function similar to that of the second electrode layer formed in a mesh shape using a stamper can be formed.
カーボンナノチューブの分散液を用いて超微細間隔のカーボンナノチューブによる導体パターンを形成した後、導体パターンを被覆するように感光性樹脂の前駆体をコーティングし、次いで、加熱キュア処理を施すことにより、感応膜からカーボンナノチューブが剥離することを防止することができ、ガスセンサの耐久性を向上させることができる。カーボンナノチューブの分散液として感光性樹脂の前駆体を混合した液を使用すれば、下地の感応膜とカーボンナノチューブのパターンとの密着性を向上させることができる。 After forming a conductor pattern of carbon nanotubes with ultra-fine spacing using a dispersion of carbon nanotubes, a photosensitive resin precursor is coated to cover the conductor pattern, and then subjected to a heat curing treatment to provide a sensitive The carbon nanotubes can be prevented from peeling off from the film, and the durability of the gas sensor can be improved. If a liquid in which a precursor of a photosensitive resin is mixed as the carbon nanotube dispersion liquid, the adhesion between the underlying sensitive film and the carbon nanotube pattern can be improved.
超微量ディスペンサを用いてカーボンナノチューブの分散液を線描画する方法を利用して第２の電極層を形成する方法は、スタンパを用いる転写法と比べて操作が容易であり、任意のパターンに第２の電極層を形成することができるという利点がある。たとえば、ディスペンサを制御することにより、ガスの透過性を考慮した線間隔でカーボンナノチューブのパターンを形成することができる。また、回路基板にガスセンサを組み込む場合も、ディスペンサを用いてカーボンナノチューブの分散液や前駆体を供給する工程であれば、回路基板の製造工程中に組み込むことが容易であるという利点もある。 The method of forming the second electrode layer using the method of drawing a carbon nanotube dispersion using an ultra-small dispenser is easier to operate than the transfer method using a stamper, and can be applied to any pattern. There is an advantage that two electrode layers can be formed. For example, by controlling the dispenser, the pattern of carbon nanotubes can be formed with a line interval considering gas permeability. Also, when a gas sensor is incorporated into a circuit board, there is an advantage that it can be easily incorporated during the manufacturing process of the circuit board as long as it is a process of supplying a carbon nanotube dispersion or precursor using a dispenser.
（容量型ガスセンサの性能指数）
図１３は本発明に係る容量型ガスセンサと従来品との特性を評価するためセンサの特性を性能指数（Figure of Merit:FoM)として示したものである。ガスセンサの性能指数FoMを次の（３）式によって規定した。
FoM＝感度[pF／％RH]／（面積[cm2]）×（応答時間[s]）・・・（３）
図１３のグラフでは、より右側で、より上方にあるものほど、性能指数が高いことを示す。
(Performance index of capacitive gas sensor)
FIG. 13 shows the characteristics of the sensor as a figure of merit (FoM) in order to evaluate the characteristics of the capacitive gas sensor according to the present invention and the conventional product. The performance index FoM of the gas sensor was defined by the following equation (3).
FoM = sensitivity [pF /% RH] / (area [cm 2 ]) × (response time [s]) (3)
In the graph of FIG. 13, the performance index is higher as it is further on the right side.
図１３において、Si/SiO2/FPI/CNT複合電極とあるのは、図８に示す構成を備える容量型ガスセンサで、感応膜FPIの膜厚が0.4μm、第２の電極層であるCNT複合電極の膜厚が4.4μm[A]、6.0μm[B]、13μm[C]のものである。これら３種の性能指数はCNT複合電極の膜厚がかなり相違しているが近似している。
また、ITO/FPI/CNT複合電極とあるのは、図１に示す構成を備える容量型ガスセンサで、感応膜FPIの膜厚が8.9μm[a]、5.2μm[b]、3.2μm[c]、1.5μm[d]、1.3μm[e]、0.4μm[f]の性能指数である。
また、ITO/FPI/SWCNTとあるのは、図１に示す容量型ガスセンサと同様の構成を備え、第２の電極層を塗布法（SWCNTの分散液）により形成した例である。
また、ITO/FPI/Au(20nm）とあるのは、図１に示す容量型ガスセンサと類似の構成を備えるもので、FPIを感応膜とし、第２の電極層を20nmの厚さのAu薄膜により形成したものである。
In FIG. 13, the Si / SiO2 / FPI / CNT composite electrode is a capacitive gas sensor having the configuration shown in FIG. 8, and the CNT composite electrode having a sensitive film FPI thickness of 0.4 μm and a second electrode layer. Film thicknesses of 4.4 μm [A], 6.0 μm [B], and 13 μm [C]. These three figures of merit are close to each other, though the film thickness of the CNT composite electrode is quite different.
The ITO / FPI / CNT composite electrode is a capacitive gas sensor having the configuration shown in FIG. 1, and the thickness of the sensitive membrane FPI is 8.9 μm [a], 5.2 μm [b], 3.2 μm [c]. , 1.5 μm [d], 1.3 μm [e], 0.4 μm [f].
ITO / FPI / SWCNT is an example having the same configuration as the capacitive gas sensor shown in FIG. 1 and having the second electrode layer formed by a coating method (a dispersion of SWCNT).
ITO / FPI / Au (20 nm) has a structure similar to that of the capacitive gas sensor shown in FIG. 1, and FPI is used as a sensitive film, and the second electrode layer is a 20 nm thick Au thin film. It is formed by.
図１３において、[I]〜[V]は市販品の性能指数である。[I]：Innovative Sensor Technology (P14 Rapid SMD)、[II]：Smartec (HS08A)、[III]：VISHAY (2381 691 90001 HUMIDITY-SENS-E)、[IV]：Innovative Sensor Technology (MK33-W)、[V]：Smartec (HS07)、の各製品についての性能指数である。
また、[23]、[61]〜[63]は文献に基づく性能指数である。[23]：Kuroiwa, T. Miyagishi, A. Ito, M. Matsuguchi, Y. Sadaoka, Y. Sakai: Sensors and Actuators B 24-25(1995)692-695、[61]：E. Zampetti, S. Pantalei, A. Pecora, A. Valletta, L. Maiolo, A. Minotti, A. Macagnano, G. Fortunato, A. Bearzotti: Sensors and Actuators B 143(2009)302-307、[62]：M. J. Lee, H. P. Hong, K. H. Kwon, C. W. Park, N. K. Min: Sensors and Actuators B 185(2009)97-104、[63]：J. H. Kim, S. M. Hong, B. M. Moon, K. Kim: Microsyst Technol 16(2010)2017-2021、にそれぞれ基づく。
In FIG. 13, [I] to [V] are performance indexes of commercially available products. [I]: Innovative Sensor Technology (P14 Rapid SMD), [II]: Smartec (HS08A), [III]: VISHAY (2381 691 90001 HUMIDITY-SENS-E), [IV]: Innovative Sensor Technology (MK33-W) , [V]: Performance index for each product of Smartec (HS07).
[23] and [61] to [63] are performance indexes based on literature. [23]: Kuroiwa, T. Miyagishi, A. Ito, M. Matsuguchi, Y. Sadaoka, Y. Sakai: Sensors and Actuators B 24-25 (1995) 692-695, [61]: E. Zampetti, S. Pantalei, A. Pecora, A. Valletta, L. Maiolo, A. Minotti, A. Macagnano, G. Fortunato, A. Bearzotti: Sensors and Actuators B 143 (2009) 302-307, [62]: MJ Lee, HP Hong, KH Kwon, CW Park, NK Min: Sensors and Actuators B 185 (2009) 97-104, [63]: JH Kim, SM Hong, BM Moon, K. Kim: Microsyst Technol 16 (2010) 2017-2021, Based on each.
図１３から、本発明に係るシリコン基板上に形成した容量型ガスセンサはきわめてすぐれた性能指数を備えており従来品と比較して十分に特性上の利点を備えているいることがわかる。第２の電極層の膜厚をかなり厚く設定しても、性能指数がさほど変わらない点も特徴的である。
また、図１に示すタイプの容量型センサでは、FPIを感応膜とし、感応膜の膜厚を0.4μmとしたものが従来品と比較して高い性能指数を示す。本発明に係る容量型センサにおいても、FPIと同等の感光性樹脂を感応膜に使用することにより、従来品にくらべてはるかに特性の優れた容量型ガスセンサを提供することが可能である。
From FIG. 13, it can be seen that the capacitive gas sensor formed on the silicon substrate according to the present invention has a very good figure of merit and has sufficient characteristic advantages compared to the conventional product. It is also characteristic that the figure of merit does not change much even if the film thickness of the second electrode layer is set to be quite large.
Further, in the capacitive sensor of the type shown in FIG. 1, the FPI is a sensitive film, and the film thickness of the sensitive film is 0.4 μm, which shows a higher performance index than the conventional product. Also in the capacitive sensor according to the present invention, it is possible to provide a capacitive gas sensor having far superior characteristics compared to conventional products by using a photosensitive resin equivalent to FPI for the sensitive film.
１０ 容量型ガスセンサ
１２ 基板
１４ 第1の電極層
１６ 感応膜
１８ 第２の電極層
２０ スタンパ
２４ 電極材料
３０ 容量型ガスセンサ
３１ シリコン基板
３２ 感応膜
３４ 第２の電極層
３６ 接続パッド
３６ａ アルミニウム電極
３８ 感光性樹脂
10 capacitive gas sensor 12 substrate 14 first electrode layer 16 sensitive film 18 second electrode layer 20 stamper 24 electrode material 30 capacitive gas sensor 31 silicon substrate 32 sensitive film 34 second electrode layer 36 connection pad 36a aluminum electrode 38 photosensitive Resin
Claims (5)
前記基板として、前記第１の電極層を兼ねる導電性を有するシリコン基板が用いられ、
前記感応膜が感光性樹脂からなるとともに、前記シリコン基板の表面を被覆するSiO 2 膜の上に形成され、
前記第２の電極層が、前記感応膜に用いられている樹脂と同一の樹脂と前記ナノカーボン材とからなる複合電極として形成され、前記ナノカーボン材が互いに絡み合った網目状に形成されることにより導電性と通気性を備え、かつ、前記感応膜と一体的に形成されていることを特徴とする容量型ガスセンサ。 On a substrate, a first electrode layer, and the sensitive film covering the first electrode layer, and a pre-Symbol second electrode layer provided on the surface of the sensitive film opposite the first electrode layer provided, said second electrode layer, a capacitive gas sensor comprising a composite material of nano carbon material and a resin,
As the substrate, a conductive silicon substrate that also serves as the first electrode layer is used,
The sensitive film is made of a photosensitive resin , and is formed on a SiO 2 film that covers the surface of the silicon substrate ,
The second electrode layer is formed as a composite electrode composed of the same resin as the resin used for the sensitive film and the nanocarbon material, and the nanocarbon material is formed in a mesh shape intertwined with each other. A capacitive gas sensor characterized in that it has conductivity and air permeability and is formed integrally with the sensitive membrane .
Applications Claiming Priority (2)
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