JPWO2018047936A1 - 容量型ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
試験に使用する実施例の容量型ガスセンサは、図1及び図2の構成を備えて、以下の素材と寸法を有している。第1の電極層5は、ITOからなり、幅寸法が4mm、厚さが150nmであった。一対の電極部7A及び7B並びに9A及び9BもITOからなり、その寸法は4mm×4mmであった。
本発明の効果を確認するために、補強用樹脂層15を設けた上記実施例の容量型ガスセンサと補強用樹脂層15を設けなかった容量型ガスセンサについて、湿度と第1の電極層5と第2の電極層13,13との間に印加する交流信号の周波数を変えて容量の変化を測定した。図3はその結果を示している。
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。図4は第2の実施の形態の平面図を示している。この第2の実施の形態では、図1の第1の実施の形態と異なって、基板3の上に第2の電極層13,13の両端部が、一対の電極部7A及び7B並びに9A及び9Bと重なった状態で接続される場合において、補強用樹脂層15が第2の電極層13,13の両端部と一対の電極部7A及び7B並びに9A及び9Bの一部を覆う形状寸法を有している。このように補強用樹脂層15を形成すると、電極部7A及び7B並びに9A及び9Bからの第2の電極層13,13の剥離も、有効に阻止することができる。
次に本発明の第3の実施の形態について説明する。第1及び第2の実施の形態では、第2の電極層13の大部分また全部を補強用樹脂層15により覆ったが、第3の実施の形態では、第2の電極層13の表面上だけを補強用樹脂層15により覆っている。図5は第3の実施の形態の断面図を示している。具体的には、両端部に接続される一対の電極部7A及び7Bと第1の電極層5の図示しない電極部を露出させるようにガス感応膜11が基板3の上に全面的に形成されている。そして第2の電極層13の両端部と一対の電極部7A及び7Bとが、導電性スルーホール部14により接続されている。本実施の形態では、導電性スルーホール部14は、第2の電極層13を形成する導電材と同じ導電材により形成されている。なお導電性スルーホール部14を第2の電極層13を形成する導電材とは別の導電材により形成してもよいのは勿論である。そして本実施の形態では、第1及び第2の実施の形態と異なって、第2の電極層の上にのみ通気性を有する補強用樹脂層15が設けられている。このような構造にしても、3次元網目状に絡み合ったナノカーボン材からなる第2の電極層の空隙部内には、補強用樹脂層を構成する樹脂が入り込み、一部はガス感応膜と接触する。これによって補強用樹脂層15は、第2の電極層13がガス感応膜11から剥離することを防止する機能を発揮する。したがってこのような構造であっても、補強用樹脂層15を構成する樹脂がガス感応膜11の一部と結合された状態が部分的に発生するので、第2の電極層13がガス感応膜11から剥離することを防止できる。
上記各実施の形態においては、ガス感応膜11にフッ素化ポリイミドを用いて形成したが、ポリイミド系有機化合物、セルロース、セルロース系有機化合物、ポリビニルアルコール(PVA)等のように、硬化後に通気性を示す材料であれば、その他の材料を用いることもできるのは勿論である。またガス感応膜及び補強用樹脂層をポリイミド系の感光性樹脂を用いて形成してもよいのは勿論である。
上記各実施形態においては、本発明に係る容量型ガスセンサを湿度センサに利用した例である。本発明に係る容量型ガスセンサは湿度センサとして使用する場合に限られるものではない。本発明に係る容量型ガスセンサは、アルコールやアルデヒド等の有機化合物の濃度を検出するガスセンサとして利用することができる。
3 基板
5 第1の電極層
11 ガス感応膜
13 第2の電極層
15 補強用樹脂層
ことにある。
課題を解決するための手段
[0006]
本発明は、基板の上に形成された第1の電極層と、第1の電極層の上に形成された通気性のあるガス感応膜と、第1の電極層と対向してガス感応膜の上に形成された3次元網目状に絡み合ったナノカーボン材からなる第2の電極層とを備えてなる容量型ガスセンサを対象とする。本発明の容量型ガスセンサでは、第2の電極層が周囲にガス感応膜の一部がはみ出る大きさに形成されている。そして少なくとも第2の電極層の上に通気性を有する補強用樹脂層が設けられている。そして補強用樹脂層が、ガス感応膜と同じ材料によって形成されており、第2の電極層の空隙部内に補強用樹脂層が入り込み、補強用樹脂層の一部がガス感応膜と接触している。
[0007]
このような構造にすると、3次元網目状に絡み合ったナノカーボン材からなる第2の電極層の空隙部内には、補強用樹脂層が入り込み、一部はガス感応膜と接触する。これによって補強用樹脂層は、第2の電極層がガス感応膜から剥離することを防止する機能を発揮する。このような構造にすると、補強用樹脂層がガス感応膜の一部と結合された状態が部分的に発生するので、第1の電極層と第2の電極層との間に印加する交流信号の周波数が極端に高くなったり、環境湿度が高くなった場合において、第2の電極層がガス感応膜から剥離することを防止する。その結果、第2の電極層を3次元網目状に絡み合ったナノカーボン材から構成しても、センサの検出精度が悪くなることを防止できる。また剥離が防止できることから、本発明によれば、容量の湿度に対する線形応答の劣化やヒステリシスが発生することを防止できる。
[0008]
なお補強用樹脂層は、第2の電極層の上にのみ存在していてもよい。
[0009]
また第2の電極層が、周囲にガス感応膜の一部がはみ出る大きさに形成され、通気性を有する補強用樹脂層が、第2の電極層及び第2の電極層からはみ出たガス感応膜の少なくとも一部を覆っていてもよい。このような構造にすると、第2の電極層を介することなく、補強用樹脂層がガス感応膜の一部と直接的に結合される部分が、第2の電極層の周囲にも発生するので、第2の電極層がガス感応膜から剥離することをより確実に防止する。
[0010]
補強用樹脂層は、ガス感応膜と同じ材料によって形成されているのが好ま
しい。補強用樹脂層をガス感応膜と同じ材料で形成すると、補強用樹脂層とガス感応膜との結合面で強固な化学結合を得ることができる。そして補強用樹脂層は、第2の電極層がガス感応膜から離れることを阻止するアンカーとなるため、本発明によれば、第2の電極層がガス感応膜から剥離することをより確実に防止することができる。また補強用樹脂層の厚みが2μm以下であれば、補強用樹脂層の存在が第2の電極層の通気性を大きく阻害することが無いので、補強用樹脂層を設けることによって検出感度が大幅に低下することを防止できる。また補強用樹脂層の厚みが1μm以下であれば、高速応答を維持することができる。
[0011]
ガス感応膜は、例えば、湿度の変化に応じて容量が変化するものであってもよい。その場合、ガス感応膜としては、フッ素化ポリイミドを用いるのが好ましい。
[0012]
またナノカーボン材は、SWCNT、MWCNT、DWCNT及びグラフェンから選択された1種または複数種の材料であるのが好ましい。
[0013]
具体的には、基板の上には第1の電極層に接続された1以上の第1の電極部と、第2の電極層に接続された1以上の第2の電極部とが形成されており、基板の上には、第1の電極層を覆い且つ1以上の第1の電極部及び1以上の第2の電極部を露出させるようにガス感応膜が形成されている。この場合、第2の電極層と1以上の第2の電極部とガス感応膜を貫通する導電性スルーホール部を介して電気的に接続されているのが好ましい。このような接続構造を用いると、容量型ガスセンサの寸法の小型化を図ることができる。
[0014]
なお基板の上には第2の電極層の両端部が重なった状態で接続される一対の電極部が形成されている場合には、補強用樹脂層は第2の電極層の両端部と一対の電極部の一部を覆う形状寸法を有しているのが好ましい。このようにすると電極部からの第2の電極層の剥離も、有効に阻止することが可能になる。
[0015]
本発明の容量型ガスセンサは、基板上に一対のセンサ素子を備えた構造であってもよい。その場合の容量型ガスセンサは、ガス感応膜の上に第1の電
極層と交差するように間隔をあけて2本の第2の電極層が形成されている。そして2本の第2の電極層は周囲にガス感応膜の一部がはみ出る幅寸法を有している。また通気性を有する補強用樹脂層が、2本の第2の電極層及び2本の第2の電極層からはみ出たガス感応膜の少なくとも一部を覆っている。第1の電極層と2本の第2の電極層との間に一対のセンサ素子が形成されている。そして補強用樹脂層が、ガス感応膜と同じ材料によって形成されており、第2の電極層の空隙部内に補強用樹脂層が入り込み、補強用樹脂層の一部がガス感応膜と接触している。このようにすると、二つのセンサ素子の出力を利用して、温度特性を改善できる。
図面の簡単な説明
[0016]
[図1]本発明の第1の本実施の形態の湿度センサとして作製した容量型ガスセンサの実施の形態の一例の平面図である。
[図2]図1のII−II線断面図である。
[図3]補強用樹脂層を設けた容量型ガスセンサと補強用樹脂層を設けなかった容量型ガスセンサについて、湿度と交流信号の周波数を変えて容量の変化を測定した結果を示す図である。
[図4]本発明の第2の実施の形態の湿度センサとして作製した容量型ガスセンサの実施の形態の一例の平面図である。
[図5]本発明の第3の実施の形態の湿度センサとして作製した容量型ガスセンサの実施の形態の一例の断面図である。
発明を実施するための形態
[0017]
本発明に係る容量型ガスセンサの一実施の形態として、水の吸着量により誘電率が変化するガス感応膜(感湿膜)を使用した湿度センサについて説明する。
[0018]
図1は、本発明の第1の実施の形態の湿度センサとして作製した容量型ガスセンサ1の一例の平面図である。図2は、図1のII−II線断面図である。なお図2は、模擬的に示したもので、各層の厚み寸法は、実際の寸法に比例するものではない。本実施の形態の容量型ガスセンサは、基板3の上に両端部に電極部5A,5Bを一体に備えた第1の電極層5と、2組の一対の電極部7A及び7B並びに9A及び9Bと備えている。本実施の形態では、基板
Claims (10)
- 基板の上に形成された第1の電極層と、前記第1の電極層の上に形成された通気性のあるガス感応膜と、前記第1の電極層と対向して前記ガス感応膜の上に形成された3次元網目状に絡み合ったナノカーボン材からなる第2の電極層とを備えてなる容量型ガスセンサであって、
少なくとも前記第2の電極層の上に通気性を有する補強用樹脂層が設けられていることを特徴とする容量型ガスセンサ。 - 前記補強用樹脂層は、前記第2の電極層の上にのみ存在している請求項1に記載の容量型ガスセンサ。
- 前記第2の電極層は周囲に前記ガス感応膜の一部がはみ出る大きさに形成されており、通気性を有する補強用樹脂層が、前記第2の電極層及び前記第2の電極層からはみ出た前記ガス感応膜の少なくとも一部を覆っていることを特徴とする請求項1に記載の容量型ガスセンサ。
- 前記補強用樹脂層が、前記ガス感応膜と同じ材料によって形成されており、
前記補強用樹脂層の厚みが2μm以下である請求項1に記載の容量型ガスセンサ。 - 前記ガス感応膜は、湿度の変化に応じて容量が変化するものである請求項4に記載の容量型ガスセンサ。
- 前記ガス感応膜がフッ素化ポリイミドである請求項5に記載の容量型ガスセンサ。
- 前記ナノカーボン材が、SWCNT、NWCNT、DWCNT及びグラフェンから選択された1種または複数種の材料である請求項1または2に記載の容量型ガスセンサ。
- 前記基板の上には前記第1の電極層に接続された1以上の第1の電極部と、前記第2の電極層に接続された1以上の第2の電極部とが形成されており、
前記基板の上には、前記第1の電極層を覆い且つ前記1以上の第1の電極部及び前記1以上の第2の電極部を露出させるように前記ガス感応膜が形成されており、
前記第2の電極層と前記1以上の第2の電極部と前記ガス感応膜を貫通する導電性スルーホール部を介して電気的に接続されている請求項1に記載の容量型ガスセンサ。 - 前記基板の上には前記第2の電極層の両端部が重なった状態で接続される一対の電極部が形成されており、
前記補強用樹脂層は前記第2の電極層の前記両端部と前記一対の電極部の一部を覆う形状寸法を有している請求項1に記載の容量型ガスセンサ。 - 基板の上に形成された第1の電極層と、前記第1の電極層の上に形成された通気性のあるガス感応膜と、前記第1の電極層と対向して前記ガス感応膜の上に形成された3次元網目状に絡み合ったナノカーボン材からなる第2の電極層とを備えてなる容量型ガスセンサであって、
前記ガス感応膜の上に前記第1の電極層と交差するように間隔をあけて2本の第2の電極層が形成されており、
前記2本の第2の電極層は周囲に前記ガス感応膜の一部がはみ出る幅寸法を有しており、
通気性を有する補強用樹脂層が、前記2本の第2の電極層及び前記2本の第2の電極層からはみ出た前記ガス感応膜の少なくとも一部を覆っていることを特徴とする容量型ガスセンサ。
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