JP6864966B2 - センサ、及び、センサ製造方法 - Google Patents
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Description
平板状であり、且つ、第1方向における第1端が支持されるとともに、厚さ方向における両端面のうちの少なくとも一方にて開口する収容空間を有する本体部と、
対象の量に応じて体積が変化するとともに、少なくとも一部が上記収容空間に収容されるように上記本体部により支持される体積変化体と、
上記本体部のうちの、上記第1方向における第2端に連接し、且つ、上記体積変化体の体積の変化に伴って生じる応力を検出する検出部と、
を備え、
上記体積変化体は、弾性率が上記本体部よりも低い材料からなる。
平板状であり、且つ、第1方向における第1端が支持される第1部材に、厚さ方向における両端面のうちの少なくとも一方にて開口する収容空間を形成するとともに、上記第1部材のうちの、上記第1方向における第2端に連接する第2部材に、応力を検出する素子を設け、
弾性率が上記第1部材よりも高い材料からなるとともに、対象の量に応じて体積が変化する体積変化体の少なくとも一部を、上記第1部材により支持されるように上記収容空間に収容する、ことを含む。
(概要)
第1実施形態のセンサは、本体部と、体積変化体と、検出部と、を備える。
本体部は、平板状であり、且つ、第1方向における第1端が支持されるとともに、厚さ方向における両端面のうちの少なくとも一方にて開口する収容空間を有する。
体積変化体は、対象の量に応じて体積が変化するとともに、少なくとも一部が収容空間に収容されるように本体部により支持される。
検出部は、本体部のうちの、第1方向における第2端に連接し、且つ、体積変化体の体積の変化に伴って生じる応力を検出する。
体積変化体は、弾性率が本体部よりも低い材料からなる。
次に、第1実施形態のセンサについて、詳細に説明する。
以下、図1乃至図7に表されるように、x軸、y軸、及び、z軸を有する右手系の直交座標系を用いて、第1実施形態のセンサ1を説明する。なお、本明細書において、後述の図11乃至図14、及び、図24乃至図32においても同様の座標系が用いられる。
センサ1は、対象を検出する。例えば、対象は、気体、液体、又は、固体を構成する分子である。また、例えば、対象は、気体、液体、及び、固体のうちの少なくとも2つからなる混合物を構成する分子である。また、例えば、対象は、微粒子、温度、湿度、又は、電磁波等である。
本例では、第2層状体12は、二酸化ケイ素からなる。図1及び図2に表されるように、第2層状体12は、平板状である。第2層状体12は、第2層状体12のうちの、z軸方向における両端面にて開口する穴を有する。本例では、xy平面により切断された第2層状体12の断面は、xy平面により切断された第1層状体11の断面と同じ形状を有する。
枠部131は、枠部131のうちの、z軸方向における両端面にて開口する穴を有する。本例では、xy平面により切断された枠部131の断面は、xy平面により切断された第1層状体11の断面と同じ形状を有する。
本例では、収容空間に含まれる複数のスリット状の孔のx軸方向における長さは、280μmである。
このような構成により、検出部133は、本体部132から伝達された応力を、第1被支持部1331のうちの延在方向における中央部にて検出する。
また、本例では、体積変化体14の弾性率は、体積変化体14の体積の変化の前後における変化が本体部132よりも大きい。
このような構成により、記憶装置106は、第1抵抗器103の電気抵抗と第2抵抗器104の電気抵抗との差に応じた信号を記憶する。
次に、感知材料について説明を加える。
本例では、感知材料は、流動性を有する。例えば、収容空間に感知材料を充填することにより体積変化体14を形成するためには、感知材料の粘度が低いこと、感知材料の、収容空間を形成する壁面に対する濡れ性が良いこと、感知材料が収容空間に流入しやすいこと、及び、感知材料が収容空間から流出することなく固化しやすいこと、が好適である。
なお、感知材料の最適な粘度は、第3層状体13を構成する材料、収容空間を形成する壁面の状態、収容空間の形状、及び、収容空間の大きさに応じて異なってよい。
感知材料の粘度が1[mPa・sec]よりも小さい場合、感知材料に含まれる溶質の濃度が過度に低くなりやすいため、当該溶質が収容空間において不均一に分布しやすい。このため、感知材料の粘度は、1[mPa・sec]以上であることが好適である。
また、感知材料の粘度が1000[mPa・sec]よりも大きい場合、感知材料の流動性が過度に低くなりやすいため、収容空間に感知材料を充填しにくい。このため、感知材料の粘度は、1000[mPa・sec]以下であることが好適である。
従って、本例では、感知材料は、B型粘度計による粘度が1[mPa・sec]乃至1000[mPa・sec]の値である。
なお、溶媒の最適な表面張力は、以下に述べる感知材料の充填方法に応じて異なってよい。
(非特許文献1) 「実用プラスチック事典」、実用プラスチック事典編集委員会編、産業調査会、1993年
例えば、熱可塑性高分子は、ポリオレフィン樹脂(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、又は、ポリビニルアルコール等)、ポリオレフィン系ワックス(例えば、ポリエチレンオリゴマー、又は、ポリプロピレンオリゴマー等)、熱可塑性アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)樹脂、エラストマー(例えば、ポリオレフィン系エラストマー、水添スチレン系ブロック共重合体、又は、水添スチレン系ランダム共重合体等)、スーパーエンジニアリングプラスチック(例えば、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミドイミド、ポリエーテルサルフォン、又は、ポリエーテルエーテルケトン等)、又は、シンジオタクティックポリスチレン等であってよい。
例えば、無機フィラーは、無定形フィラー(例えば、炭酸カルシウム、シリカ、カオリン、クレー、酸化チタン、硫酸バリウム、酸化亜鉛、水酸化アルミニウム、アルミナ、又は、水酸化マグネシウム等)、板状フィラー(例えば、タルク、マイカ、又は、ガラスフレーク等)、針状フィラー(例えば、ワラストナイト、チタン酸カリウム、塩基性硫酸マグネシウム、セピオライト、ゾノトライト、又は、ホウ酸アルミニウム等)、導電性フィラー(例えば、金属粉、金属フレーク、カーボンブラック、又は、カーボンナノチューブ等)、ガラスビーズ、ガラス粉、アパタイト、又は、ゼオライト等である。
次に、第1実施形態のセンサ1の製造方法(換言すると、センサ製造方法)について説明する。
本例では、センサ1は、図9及び図10に表される工程に従って製造される。なお、センサ1の少なくとも一部は、図9及び図10に表される工程と異なる工程に従って製造されてもよい。
このようにして、センサ1は、製造される。
次に、第1実施形態のセンサ1の動作について説明する。
対象がセンサ1の近傍に存在する場合を想定する。この場合、体積変化体14は、対象を受容することにより、対象の量に応じて体積が増加する。
このようにして、センサ1は、対象を検出する。
これに対し、センサ1によれば、孔の数を増やすことにより、体積変化体14の量を容易に増加できる。また、複数の孔が第1方向に沿って並ぶので、体積変化体14の体積の変化に伴って本体部132にて生じる応力のうちの、第1方向の成分を大きくすることができる。従って、体積変化体14の体積の変化を、第2端1322にて生じる応力に高い精度にて反映できる。この結果、対象を高い精度にて検出できる。
次に、第1実施形態のセンサ1の第1実施例について説明する。
第1実施例のセンサ1において、感知材料は、溶質であるオレスターQ517(登録商標、三井化学株式会社製)を、シクロヘキサノン、及び、ジメチルホルムアミドからなる混合溶媒に溶解させた溶液である。本例では、混合溶媒は、シクロヘキサノン、及び、ジメチルホルムアミドの混合比が2:1である。本例では、感知材料における、溶質と、混合溶媒と、の重量比は、1:7である。
第1動作例、及び、第2動作例の両方において、センサ1は、ガスチャンバの内部に設置される。また、第1動作例、及び、第2動作例の両方において、ガスチャンバの内部には、湿度の基準値を測定するための湿度センサが設置される。
このように、第1実施例のセンサ1によれば、比較的広い湿度の範囲に亘って高い精度にて湿度を検出できる。
このように、センサ1は、体積変化体14が対象と相互作用することにより、体積変化体14の体積が変化する。従って、対象の量を体積変化体14の体積の変化に高い精度にて反映できる。この結果、対象を高い精度にて検出できる。
次に、第1実施形態のセンサ1の第2実施例について説明する。
第2実施例のセンサ1において、感知材料は、溶質であるユーバン20SE60(登録商標、三井化学株式会社製)を、ジメチルホルムアミドからなる溶媒に溶解させた溶液である。本例では、感知材料における、溶質と、混合溶媒と、の重量比は、1:3である。本例でも、第1実施例と同様に、浸漬法を用いて体積変化体14が形成される。
このように、センサ1は、体積変化体14が対象と相互作用することにより、体積変化体14の体積が変化する。従って、対象の量を体積変化体14の体積の変化に高い精度にて反映できる。この結果、対象を高い精度にて検出できる。
次に、第1実施形態のセンサ1の第3実施例について説明する。
第3実施例のセンサ1において、感知材料は、溶質であるエポキー863(登録商標、三井化学株式会社製)を、ジメチルホルムアミドからなる溶媒に溶解させた溶液である。本例では、感知材料における、溶質と、混合溶媒と、の重量比は、1:7である。本例でも、第1実施例と同様に、浸漬法を用いて体積変化体14が形成される。本例では、体積変化体14の弾性率(本例では、ヤング率)は、2.5GPaである。
次に、第2実施形態のセンサについて説明する。第2実施形態のセンサは、第1実施形態のセンサに対して、曲げ応力に基づいて対象の検出を行う点において相違している。以下、相違点を中心として説明する。なお、第2実施形態の説明において、第1実施形態にて使用した符号と同じ符号を付したものは、同一又は略同様のものである。
本体部132は、y軸方向にて延びる長辺と、x軸方向にて延びる短辺と、を有する長方形状である。なお、本体部132は、正方形状であってもよい。本体部132のy軸方向における長さは、枠部131の穴のy軸方向における長さよりも短い。本例では、本体部132のy軸方向における長さは、260μmである。本体部132のx軸方向における長さは、枠部131の穴のx軸方向における長さよりも短い。本例では、本体部132のx軸方向における長さは、240μmである。本体部132のうちの、x軸の正方向における端は、枠部131と隔てられている。
本例では、収容空間に含まれる複数のスリット部のx軸方向における長さは、220μmである。
このような構成により、検出部133は、本体部132から伝達された応力を、第1被支持部1331のうちの延在方向における中央部にて検出する。
本例では、第1配線1333のうちの一方の端部は、ピエゾ抵抗素子PZのうちの、x軸の正方向における端部と接する。第1配線1333のうちの他方の端部は、枠部131の外縁に位置する。第1配線1333は、ピエゾ抵抗素子PZのうちの、x軸の正方向における端部から、第1被支持部1331の先端(換言すると、第1被支持部1331のうちの、枠部131に連接する端)を通って、枠部131の外縁まで延びる。換言すると、第1配線1333は、ピエゾ抵抗素子PZと第1被支持部1331の先端とを結ぶ。
更に、第1配線1333、及び、第2配線1334は、第1実施形態と同様の電気回路に接続される。
更に、第2実施形態のセンサ1Aにおいて、延在部1335は、第2端1322に連接する位置と、第1方向(本例では、y軸方向)に直交する第2方向(本例では、x軸方向)における位置が異なる位置まで、第2端1322から延びる。第1被支持部1331は、延在部1335の先端から延びるとともに、第1被支持部1331の先端が支持される。検出部133は、第1被支持部1331にて、体積変化体14の体積の変化に伴って生じる応力を検出する。
11 第1層状体
12 第2層状体
13 第3層状体
131 枠部
132 本体部
1321 第1端
1322 第2端
1323,1323A〜1323C,1323L〜1323N 空間形成部
1324 第3端
133 検出部
1331,1331J,1331K 第1被支持部
1332,1332J,1332K 第2被支持部
1333 第1配線
1334 第2配線
1335 延在部
1336 連接部
14 体積変化体
100 電気回路
101 第1電源
102 第2電源
103 第1抵抗器
104 第2抵抗器
105 増幅器
106 記憶装置
LA 第1シリコン層
LB 絶縁層
LC,LCA 第2シリコン層
NT 切欠部
OL 酸化物薄膜
PZ ピエゾ抵抗素子
Claims (13)
- 平板状であり、且つ、第1方向における第1端が支持されるとともに、厚さ方向における両端面のうちの少なくとも一方にて開口する収容空間を有する本体部と、
対象の量に応じて体積が変化するとともに、少なくとも一部が前記収容空間に収容されるように前記本体部により支持される体積変化体と、
前記本体部のうちの、前記第1方向における第2端に連接し、且つ、前記体積変化体の体積の変化に伴って生じる応力を検出する検出部と、
を備え、
前記体積変化体は、弾性率が前記本体部よりも低い材料からなる、センサ。 - 請求項1に記載のセンサであって、
前記本体部の弾性率は、前記体積変化体の弾性率の2倍以上である、センサ。 - 請求項1又は請求項2に記載のセンサであって、
前記体積変化体の弾性率は、前記体積の変化の前後における変化が前記本体部よりも大きい、センサ。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のセンサであって、
前記体積変化体は、所定の分子と相互作用することにより当該分子を吸着、溶解、又は、拡散する材料を含む、センサ。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のセンサであって、
前記体積変化体は、熱又は光を吸収することにより重合する材料を含む、センサ。 - 請求項5に記載のセンサであって、
前記本体部のうちの、前記収容空間を形成する壁面の少なくとも一部は、前記本体部のうちの他の部分よりも熱伝導率が高い、センサ。 - 請求項5に記載のセンサであって、
前記本体部のうちの、前記収容空間を形成する壁面の少なくとも一部は、前記本体部のうちの他の部分よりも光の透過率が高い、センサ。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のセンサであって、
前記体積変化体は、多孔質体、又は、発泡体を含む、センサ。 - 請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載のセンサであって、
前記収容空間の隅部は、曲面形状、又は、面取り形状を有する、センサ。 - 平板状であり、且つ、第1方向における第1端が支持される第1部材に、厚さ方向における両端面のうちの少なくとも一方にて開口する収容空間を形成するとともに、前記第1部材のうちの、前記第1方向における第2端に連接する第2部材に、応力を検出する素子を設け、
弾性率が前記第1部材よりも高い材料からなるとともに、対象の量に応じて体積が変化する体積変化体の少なくとも一部を、前記第1部材により支持されるように前記収容空間に収容する、ことを含む、センサ製造方法。 - 請求項10に記載のセンサ製造方法であって、
流動性を有する材料を前記収容空間に充填し、
前記充填された材料を乾燥させることにより前記体積変化体を形成する、ことを含む、センサ製造方法。 - 請求項11に記載のセンサ製造方法であって、
前記収容空間に充填される前記材料の粘度は、1[mPa・sec]乃至1000[mPa・sec]の値である、センサ製造方法。 - 請求項11又は請求項12に記載のセンサであって、
前記収容空間に充填される前記材料は、球形の粒子を含む、センサ製造方法。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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