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公開番号2024052591
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-11
出願番号2023162435
出願日2023-09-26
発明の名称センサー素子及びガスセンサー
出願人東レ株式会社
代理人
主分類G01N 27/12 20060101AFI20240404BHJP(測定;試験)
要約【課題】物質を選択的に識別可能なセンサー素子、センシング材料、センサーを提供する。中でもガスセンサーを提供する。
【解決手段】基板と、第1電極と、第2電極と、前記第1電極および前記第2電極に接するナノカーボン材料を含有する抵抗体と、抵抗体と接した絶縁性の下地層を有し、下地層はドーパントを含むことを特徴とするセンサー素子。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
基板と、第１電極と、第２電極と、前記第１電極および前記第２電極に接するナノカーボン材料を含有する抵抗体と、抵抗体と接した絶縁性の下地層を有し、下地層はドーパントを含むセンサー素子。
続きを表示（約 640 文字）【請求項２】
前記ドーパントがスルホン酸誘導体、または、アミン誘導体を含む請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項３】
前記抵抗体の厚みが、０．３ｎｍ以上、１２ｎｍ以下の範囲である請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項４】
前記抵抗体がカーボンナノチューブであって、１μｍ
２
あたりの前記カーボンナノチューブ総長さ（Ｌ）を前記第１電極と前記第２電極の間の距離である電極間距離（Ｌｃ）で割った値（Ｌ／Ｌｃ）が０．２≦Ｌ／Ｌｃ≦５０である請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項５】
前記Ｌ／Ｌｃが０．２≦Ｌ／Ｌｃ≦５である、請求項４に記載のセンサー素子。
【請求項６】
前記ナノカーボン材料が半導体純度８０ｗｔ％以上のカーボンナノチューブであり、共役系重合体を含有する請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項７】
前記基板にヒーターが備え付けられた請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項８】
前記第１電極および前記第２電極がソース電極およびドレイン電極であって、さらにゲート電極を備える請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項９】
前記抵抗体がガスを検知する感ガス体である請求項１に記載のセンサー素子。
【請求項１０】
請求項１～９のいずれかに記載のセンサー素子を用いてなるガスセンサー。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサー素子及びガスセンサーに関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、化学物質の微量検知技術は、地球温暖化に代表される環境問題や食の安全性、健康志向の高まりから、大気中のＶＯＣ（揮発性有機化合物）検出、食品流通時の鮮度管理、人体から発せられる皮膚ガス等の検知による体調管理・診断、飛行機・列車・自動車等の複数のユーザーが利用する空間の臭い検知による快適性向上、排泄物由来ガス検知による介護者の負担軽減や被介護者のＱＯＬ向上、有害ガス検知によるセキュリティー向上など、様々な展開が期待されている。
【０００３】
特に需要増加が顕著な分野であるヘルスケア分野の中でも、呼気に含まれているガスの分析は、比較的単純な物質が多く、分析し易いため、簡便な検査による病気発見、体調管理に利用しやすくなるため近年注目されている。
【０００４】
ガスをリアルタイムで高感度かつ選択的に検出する必要のあるガスセンサーの技術は、特に需要が増加している。また、ヘルスケア分野に限らず、需要増加傾向にある分野の多くが、ｐｐｂオーダーの高い検出感度と多種のガスからの選択的検知能がセンサーに求められている。
【０００５】
しかしながら、市販されている主なガスセンサーは、検出感度がｐｐｍオーダーで感度が不十分であり、高い作動温度（２００～５００℃）により消費電力が高くなるとともに、劣化も早く、ガス種の識別能もほとんど無いなどの問題で、需要に応えられていない。そのため、現実には、研究所などで使用される一つの分野に特化した特殊な分析装置を組み込んだり、組み合わせたりした装置をセンサー代わりに使用することで対応する事が多く、非常に高額で汎用性がないことから、一部のごく限られた需要にしか対応出来ていない。
【０００６】
ガスセンサーの検出感度不足に対しては、センサーに使用する材料をナノサイズ化することによって表面積を大きくする効果で微量分子を検出しやすくし、感度を向上する方法（特許文献１）や、複数の材料を組み合わせたハイブリッド化による信号強度増幅による感度向上が検討されている（非特許文献１）。
【０００７】
また、高い作動温度（２００～５００℃）による高消費電力や劣化に対しては、ナノ炭素材料を用いることによって、低温駆動と高感度化を両立させる開発検討が行われている（特許文献１）。ナノカーボン材料を用いたガスセンサーは、検出対象物質がナノカーボン材料表面に付着することによる接触抵抗変化やキャリア注入によって起こる抵抗値変化に基づいて検出対象物質を検出する。そのため室温でも使用可能であり、検出に高温を必要とする既存の金属酸化物を用いたガスセンサーよりも優れている。
【０００８】
更には、半導体純度の高いナノ炭素材料を使用することによってより感度が向上するとの報告もある（非特許文献２）。
【０００９】
一方、現在汎用的に使用されている多くのガスセンサーは、いずれも、金属酸化物表面の酸素とガス分子が高温（２００～５００℃）で反応した際の、表面の電気的変化を検出する仕組みを利用しているため、酸化反応が起こるガス分子は全て検出してしまい、二酸化炭素の様な一部のガスを除いて、ガス選択性を有していない。
【００１０】
そのため、現状は、加熱器の温度をコントロールして検出部表面の反応性を制御したり、フィルターによって検出対象外のガスを排除したり、異なるセンシング材料を組み合わせて、異なる検出波形を読み取る外部装置によってガス選別を行っているが、組み合わせに限りがあり、多種多様なガスに対する選択性を持たせることが困難である。このため、需要が最も多くなると予想されるヘルスケア分野などの夾雑ガスが多い用途に適用することが困難な状態である。また、フィルターを複数種組み合わせる等の工夫も技術的に可能ではあるが、検出感度の低下と高コスト化につながり現実的ではない。
（【００１１】以降は省略されています）

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