JP2020503503A - 複数のガスの濃度を決定および場合により測定するためのセンサ機構、およびセンサ構造を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、マトリクス（３）に配置された導電素子と多数の接点（４）とを有するセンサ構造（２）を備え、導電素子は接点（４）と接続されている、複数のガスの濃度を決定および場合により測定するためのセンサ機構（１）に関し、混合ガス中で２つを超えるガスを互いに単離して測定するために、導電素子がそれぞれ異なる金属および／または金属酸化物を有するように形成される。さらに本発明は、このようなセンサ機構（１）の利用法に関する。さらに本発明は、複数のガスの濃度を決定および場合により測定するためのセンサ機構（１）を製造する方法に関する。

Description

本発明は、マトリクスに配置された導電素子と多数の接点とを有するセンサ構造を備え、導電素子は接点と接続されている、複数のガスの濃度を決定および場合により測定するためのセンサ機構に関する。

さらに本発明は、このようなセンサ機構の利用法に関する。

さらに本発明は、複数のガスの濃度を決定および場合により測定するためのセンサ機構を製造する方法に関する。

ガスセンサは従来技術から知られており、気体状の物質を検知するために構成される。特にガスを測定するために金属酸化物センサが利用される。これはたとえば一酸化炭素を検知するために利用される。しかし、従来技術から知られるこのようなセンサにおける欠点は、複数のガスに対して反応してしまうか、または、２つもしくはそれ以上のガス種類の間で区別をすることができないことにある。

特許文献１には、２つのガスを同時に検知するために構成されたガスセンサが開示されている。しかしこのようなガスセンサによっても、２つを超えるガス種類を互いに単離して測定することは可能でない。

特許文献２は、混合ガス中の個々のガス成分を検知するためのガスセンサアレイを開示している。しかしこのようなガスセンサアレイは、２つまたはそれ以上のガスを同時に決定可能であるようにフレキシブルにコンフィグレーション可能ではない。１つのガスの決定が、センサ信号からの計算によってはじめて可能となるからである。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 米国特許出願公開第２０１１／０１２０８６６号明細書
［特許文献２］ 欧州特許出願公開第０５２７２５８号明細書

本発明はこの点に取り組む。本発明の課題は、フレキシブルにコンフィグレーション可能である、冒頭に述べた種類のセンサ機構を提供することにある。

さらに別の目的は、このようなセンサ機構の利用法を提供することにある。

さらに、フレキシブルにコンフィグレーション可能なセンサ機構を製造することができる、冒頭に述べた種類の方法を提供することが目的である。

この課題は本発明によると、冒頭に述べた種類のセンサ機構において、混合ガス中で２つを超えるガスを互いに単離して測定するために、導電素子がそれぞれ異なる金属および／または金属酸化物を有するように形成されることによって解決される。

本発明によって実現される利点は、特に、センサ構造の構成によって、特にマトリクスに配置された、またはマトリクスとして構成された導電素子の構成によって、混合ガスの２つまたはそれ以上のガスを認識可能または測定可能である、フレキシブルにコンフィグレーション可能なセンサ機構が創出されという点に見ることができる。導電素子は少なくとも部分的に、少なくとも２つのそれぞれ異なる金属および／または金属酸化物から形成される。本発明によるセンサ機構では、２つまたはそれ以上のそれぞれ異なるガスを個別に決定し、これに加えて場合により個々のガスの濃度を測定するために、個々の導電素子は、それぞれ異なる金属および／または金属酸化物からマトリクスとして、任意に外部から接点を介して互いに結合可能かつ場合により配線可能であるように配置され、または相互に配線される。各々の接点は、その後の過程でガスの存在を確認するために、少なくとも１つの導電素子と接続される。それぞれ異なる金属および／または金属酸化物からなるセンサ機構の構成により、このセンサ機構は、接点を介して個別に制御可能かつ相互に配線可能である、互いに結合可能な複数のセンサを構成する。これらのセンサは、特に２つまたは複数の導電素子の間の接触点に配置される。これに加えて、これらのセンサは互いに間隔をおいて配置される。

特にセンサ構造または導電素子は、２つのそれぞれ異なる金属および／または金属酸化物、好ましくは酸化銅および／または酸化亜鉛および／または酸化錫から構成され、またはこれらを有するように構成される。センサ構造は、たとえばそれぞれ異なる金属および／または金属酸化物からなる格子状に配置されたストランドからなるマトリクスを含む。このときストランドは互いにほぼ垂直に配置され、それぞれ異なる金属および／または金属酸化物から構成されると好都合である。ストランドは交差点のところで相上下して延び、これらの交差点で互いに接続されていてよく、これらの交差点は互いに間隔をおいて配置される。それぞれ異なる２つの金属および／または金属酸化物のこのような垂直方向の配置は、たとえばｐ−ｎ接合を形成することができる。ストランドは層および／またはナノ繊維から形成されていてよいのが好ましい。これに加えて、それぞれ異なる接触部材がマトリクス状に基板の上に配置されていてよく、これらの接触部材は部分的または全面的にそれぞれ異なる金属酸化物に転換させることもでき、互いに格子状に接続される。

マトリクスが金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムを含んでいると好都合である。金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムは特に帯状に構成され、格子状またはマトリクス状に基板の上に配置される。帯状の金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムのそれぞれの端部に接点が配置され、これらの接点を介して、それぞれ別様に構成されて互いに間隔をおいて配置されるセンサを制御可能である。これらのセンサは金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムの交差点に、またはこれらの交差点の間に構成され、これらの交差点は互いに間隔をおいて配置される。特に金属フィルムはその後の過程で金属酸化物フィルムおよび／または金属酸化物ナノ繊維をなすように酸化可能であり、それによって金属フィルムからガス感応性の金属酸化物が生じる。このとき、金属フィルムの各々の行または列がたとえば熱酸化によって、それぞれ異なる金属酸化物へと転換可能であると好都合である。さらに、金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムがナノ繊維のバンドルとして構成されることが意図されていてよい。

センサ構造がナノ繊維を含んでいると好ましい。ナノ繊維は金属マトリクスの導電素子の上または間に配置され、ナノ繊維はトランスファープロセスを通じて基板の上に転移され、たとえば熱によってその上に酸化される。ナノ繊維は金属酸化物から、ならびにたとえばその導電性によってガス感応性に構成されるのが好ましく、それによってセンサ機構の感度がいっそう高くなる。ナノ繊維は適当な金属フィルムの酸化を通じて金属格子の上で製作されていてもよい。

接触部材、特に金属および／または金属酸化物の接触部材が設けられていると特別に好ましく、ナノ繊維はそれぞれの接触部材の間に配置される。それぞれ２つのナノ繊維は、第２のナノ繊維が第１のナノ繊維に対して４５°から１３５°の間の角度で、特別に好ましくはほぼ直角にアライメントされるように互いに向いているのが好ましい。ナノ繊維と接続される接触部材はそれによって格子を構成し、ナノ繊維のバンドルが設けられるのが好ましい。接触部材はほぼ長方形に、特に正方形に構成されて、基板の上でマトリクス状に配置されるのが好ましい。それによって形成されるマトリクスの外側の接触部材が、それぞれ１つの接点と接続される。接触部材は基板の上で直接成長させることができ、または基板の上に蒸着することができる。接触部材および／またはナノ繊維がそれぞれ異なる金属および／または金属酸化物から構成されることが意図されていてよい。

ナノ繊維がドーピングされていると好都合である。金属および／または金属酸化物からなるそれぞれのナノ繊維に不純物原子が注入されて、これをそれぞれ異なるガスについて感受性にし、またはそれぞれ別様に感受性にする。

さらに、センサにそれぞれ別様に感応化するために、センサ構造がナノ粒子を含んでいると好都合である。それによってセンサ構造をそれぞれ別様に機能化可能である。ナノ粒子によって、センサ構造で構成されるセンサにそれぞれ異なる特性および／または感応性を割当可能であり、それによってその後の過程で混合ガス中の２つまたはそれ以上のガスを互いに単離して、または個別的に高い信頼度で測定可能である。それにより、固有のガスに合わせた感度の適合化のために新たなパラメータ空間が開かれる。ナノ粒子は特にセンサ構造のマトリクスに印刷可能である。センサ構造またはマトリクスのそれぞれ異なる導電素子は、それぞれ相違する、またはそれぞれ異なるナノ粒子でドーピングされるのが好ましい。しかしながら同じナノ粒子が意図されていてもよい。

マトリクスに配置されている導電素子が少なくとも部分的に酸化錫および／または酸化亜鉛および少なくとも部分的に酸化銅から形成されると好ましく、たとえば酸化錫および／または酸化亜鉛はｎ型ドーピングされ、酸化銅はｐ型ドーピングされる。それにより、電子供与体が酸化錫および／または酸化亜鉛へ注入され、電子受容体が酸化銅へ注入される。金属酸化物の真性ドーピングを、追加のドーピングによって逆転させることができる。導電素子は少なくとも部分的にこれ以外の金属酸化物から形成されていてもよい。マトリクスに配置された導電素子は、たとえば金属フィルムおよび／またはそれぞれ異なる金属酸化物からなる金属酸化物フィルムを含む。その代替として導電素子は、たとえばナノ繊維を介して相互に結合される、それぞれ異なる金属および／または金属酸化物からなる接触部材を含むことができる。さらに導電素子は、互いに格子状に配置されたナノ繊維を含むこともできる。ドーピングされた酸化錫および／または酸化亜鉛およびドーピングされた酸化銅からなるマトリクス、またはマトリクスに配置された導電素子を相互に配線可能であり、それによってダイオードが形成される。それにより、個々のセンサを相互に結合して場合により配線するという可能性に加えて、電流が一方の方向へは妨げられずに通過し、他方の方向へは遮蔽されるという効果ももたらされる。

マトリクスが金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムを含んでいるセンサ機構では、ほぼ互いに垂直に配置された金属フィルムの間の交差点に、それぞれ異なるドーピングを含む領域の間の接合部が構成されるのが好都合である。ｐ−ｎ接合またはｎ−ｐ接合が構成されていてよい。マトリクス配線により、ｎ−ｐ−ｎ接合またはｐ−ｎ−ｐ接合も生成可能であり、それによってトランジスタが形成される。このように、それぞれ異なるドーピングを含む領域の間でさまざまな接合部を作成可能である。金属フィルムは、それぞれ異なる金属酸化物を有する、またはそれぞれ異なる金属酸化物を含むナノ繊維を有するストランドとして構成され、または金属酸化物フィルムへと転換され、金属酸化物フィルムがそれぞれ別様にドーピングされる。

さらに、センサ機構がフレキシブルにコンフィグレーション可能であるという利点がある。センサ構造は互いに間隔をおく複数のセンサを構成し、各々のセンサがそれぞれ異なるガスに対して感応化され、または反応するのが好ましい。個々の接点がどのようにタップオフされるかに関わりなく、それぞれ異なるガスを認識可能かつ測定可能である。フレキシブルで個別的にコンフィグレーション可能なセンサ機構を、たとえばスマートセンサとして利用可能である。これは特に建物の制御や空調設備の制御で適用可能である。

追加的に特定のガスの測定のためにセンサ機構を感応化できるようにするために、センサ機構は、センサ機構を定義された温度にするために、または定義された温度サイクルに暴露するために、加熱装置および／または冷却装置を有しているのが好ましい。

本発明によるセンサ機構の利用は、それぞれ異なるガスを同時に決定するために行われるのが好ましい。

冒頭に述べた種類の方法が次の各ステップを有していると、さらに別の目的が達成される。
−基板が準備されること、
−マトリクスに配置された導電素子と多数の接点とを含む、それぞれ異なる金属および／または金属酸化物からなるセンサ構造が基板に装着されること、
−センサ構造に構成されたセンサが機能化されること。

これに伴って得られる利点は、特に、マトリクスに配置された導電素子および複数の接点を含むセンサ構造の装着と、センサ構造の機能化との組み合わせが、混合ガス中の２つまたはそれ以上のガスの単離された測定をするためのセンサ機構の製造を可能にするという点に見ることができる。本発明の方法によって製造されるセンサ機構では、互いに間隔をおく個々のセンサを、これらを任意に外部から互いに制御および配線することができるように、マトリクスで相互に結合することができる。特に、異なる種類のセンサを互いに結合し、場合により配線することができ、それにより、混合ガス中で２つを超えるそれぞれ異なるガスを認識し、個別に測定することができる。

センサ構造またはマトリクスはそれぞれ異なる金属および／または金属酸化物から形成され、たとえば酸化銅および／または酸化錫および／または酸化亜鉛から形成される。特にセンサ構造は、それぞれ異なる金属および／または金属酸化物からなる、格子状に配置されたストランドから形成される。このとき、ストランドが互いにほぼ垂直に配置されると好都合である。さらに、ストランドがそれぞれ異なる金属酸化物から製作されると好ましい。ストランドはナノ繊維から構成されていてもよいのが好ましい。これに加えて、接触部材も基板の上でマトリクス状に配置することができる。このとき、これらの接触部材がそれぞれ異なる金属酸化物から構成されて、格子状に互いに接続されると好都合である。

さらに、センサ構造がｎドーピングされた酸化錫および／または酸化亜鉛およびｐドーピングされた酸化銅から形成されると好ましい場合がある。そのために、電子供与体が酸化錫および／または酸化亜鉛へ注入され、電子受容体が酸化銅へ注入される。センサ構造のマトリクスは、たとえばそれぞれ異なる金属および／または金属酸化物からなる金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムを含んでいる。たとえばマトリクスは、またはマトリクスのドーピングされた酸化亜鉛および／または酸化錫およびドーピングされた酸化銅からなる素子を互いに、または相互に配線することができ、それによってダイオードが形成される。それにより、個々のセンサを互いに結合して場合により配線するという可能性に加えて、電流が一方の方向へは妨げられずに通過し、他方の方向へは遮蔽されるという効果ももたらされる。

センサ構造がナノ粒子により機能化されると好ましい。機能化は感応化によって行うことができ、ナノ粒子が特にセンサ構造のマトリクスに装着され、特に、たとえばインクジェットプリンタによって印刷される。それによってセンサ構造をそれぞれ別様に機能化可能である。ナノ粒子により、構成されるセンサにそれぞれ異なる特性および／または感応性が割り当てられ、それによってその後の過程で２つまたは複数のガスを互いに単離して確実に測定することができる。このように、固有のガスに合わせた感応性の適合化のための幅広いパラメータ空間が開かれる。センサ構造またはマトリクスのそれぞれ異なる各要素が、相違するナノ粒子によって感応化またはドーピングされるのが好ましい。しかしながら、ただ１つの種類のナノ粒子をセンサ構造の感応化のために利用することもできる。

さらに、旧来式のドーピングによって機能化を行うことができる。旧来式のドーピングのほか、その代替または追加として別の不純物原子またはナノ粒子、たとえばパラジウム、白金などの貴金属をセンサ構造の各要素に、これらをそれぞれ異なるガスについて感受性にするために埋設または装着することもできる。

マトリクスに配置された接触部材の間で、特に金属および／または金属酸化物の接触部材の間で、ナノ繊維が基板の上に酸化されると好ましい。接触部材は基板の上で直接成長するか、または、たとえば蒸着によって基板の上に装着される。ナノ繊維は、各接触部材の間で互いにほぼ垂直に、熱によって基板の上に酸化される。ナノ繊維と結合された接触部材によって格子が構成され、ナノ繊維のバンドルが設けられる。接触部材はほぼ長方形に、特に正方形に構成されて、基板の上でマトリクス状に配置されるのが好ましい。それによって形成されるマトリクスの外側の接触部材が、それぞれ１つの接点と接続される。その代替として、ナノ繊維を基板の上に印刷することもできる。

金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムが基板の上に蒸着されると好都合であり得る。金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムは特に帯状に構成され、格子状またはマトリクス状に基板の上に蒸着される。帯状の金属フィルムのそれぞれの端部のところに接点が配置され、これらの接点を介して、それぞれ別様に構成されたセンサを制御することができる。これらのセンサは導電素子の交差点に、および／または交差点の間に構成され、交差点は互いに間隔をおきながらセンサ構造の上に配置される。１つの行または列の導電素子が少なくとも部分的にそれぞれ異なる金属酸化物から形成されると好都合である。金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムがナノ繊維のバンドルとして構成されるのも好都合であり得る。

その他の構成要件、利点、および作用は以下に掲げる実施例から明らかとなる。その際に参照する図面には次のものが示されている。

センサ機構である。 ２つの接点を示す模式図である。 本発明によるセンサ機構である。 本発明による別のセンサ機構である。 本発明による別のセンサ機構である。 接触部材の図像である。 接触部材の別の図像である。 接触部材の別の図像である。 接触部材の別の図像である。 接触部材の二次元の接続の図像である。

図１ａは、本発明によるセンサ機構１のためのセンサ構造２を示している。センサ構造２は、マトリクス３に配置された導電素子と、たとえば銀またはチタンから構成される複数の接点４とを含んでいる。図１ａでは、マトリクス３は金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルム５を含んでおり、または、マトリクス３は金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルム５から形成される。金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルム５は格子状に配置されており、各々の金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルム５の２つの端部に接点４が設けられ、または、金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルム５として構成された導電素子と接続される。

図１ｂは、結節点５１でのｎ−ｐ接合による２つの接点４の配線の例を示している。

センサ構造２または導電素子は、それぞれ異なる金属および／または金属酸化物によって、たとえば酸化銅および／または酸化亜鉛および／または酸化錫から形成される。接点４は金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルム５を介して互いに接続され、接点４は互いに任意に結合可能かつ配線可能であり、それによってその後の過程で２つを超えるガスを測定可能となる。

図２は、本発明によるセンサ機構１を示している。このセンサ機構は、マトリクス３に配置された導電素子と、基板９の上に配置された多数の接点４とを含むセンサ構造２を有している。センサ構造２は、図１ａに示すセンサ構造２に相当する。導電素子は、やはり格子状に配置された金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルム５から形成されている。金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルム５は、これに加えてナノ粒子８により感応化されている。

図３には、金属および／または金属酸化物から形成されてマトリクス３に配置された導電素子と接点４とを有する、センサ構造２を含む本発明による別のセンサ機構１が示されている。マトリクス３は、金属酸化物のナノ繊維６を介して互いに接続された、それぞれ異なる金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルム５からなる接触部材７を含んでいる。ナノ繊維６はナノ粒子８によって感応化または機能化されている。接触部材７は基板９の上に直接配置されており、それに対してナノ繊維６は基板９またはウェーハの上に酸化される。

本発明による別のセンサ機構１が図４に示されている。このセンサ機構１は、図３に示すセンサ機構１に基本的に相当する。ここでは接触部材７が基板９の上に装着され、ナノ繊維６が接触部材７の間でこれらを接続するように基板９に印刷されている。

本発明によるセンサ機構１のいずれの実施態様においても、マトリクス３の導電素子は少なくとも部分的にそれぞれ異なる金属および／または金属酸化物から、たとえば酸化銅および／または酸化亜鉛および／または酸化錫から形成される。これに加えて、センサ構造２の導電素子はｎ型ドーピングおよび／またはｐ型ドーピングされていてよい。

図５，図６，図７および図８は、走査型電子顕微鏡で撮影されたナノ繊維６を含む接触部材７の図像をそれぞれ示している。ナノ繊維６は、このようなマトリクス３の製造にあたって接触部材７の間で熱により酸化され、それに対して接触部材７は、たとえば蒸着、印刷、スパッタ、または電解などによって、基板９の上に直接装着される。図５から７では、ナノ繊維６またはマトリクス３を介しての接触部材７のマトリクス配線が結像されており、それに対して図８は、ナノ繊維６を介しての接触部材７の純粋な接続を示している。ただし、これらの写真は例示であるにすぎない。ナノ繊維６はここではそれぞれ１つの金属酸化物だけで形成されているからである（図５，６および７では酸化銅、図８では酸化亜鉛）。本発明によるセンサ機構１では、マトリクス３は、混合ガスの２つまたはそれ以上のガスを決定および測定できるようにするために、それぞれ異なる金属酸化物から形成されていてよい。

図９には、走査型電子顕微鏡で撮影された接触部材７の二次元の接続の図像が示されている。センサ機構１の支持体はたとえばマイクロ熱プレートであってよく、これによってセンサ機構１を定義された温度にし、または定義された温度サイクルに暴露することができる。

複数のガスを決定するためのセンサ機構１を製造する本発明の方法では、基板９が準備され、その上に、導電素子からなるマトリクス３と多数の接点４とを含むセンサ構造２が装着される。その次のステップで、センサ構造２が特にナノ粒子８によって複数のガスについて感応化される。

本発明につながる研究は、欧州連合第７次フレームワーク計画（ＦＰ７／２００７−２０１３）により助成合意書番号６１１８８７号のもとで助成を受けた。

Claims (15)

1. マトリクスに配置された導電素子と多数の接点とを有するセンサ構造を備え、前記導電素子は前記接点と接続されている、複数のガスの濃度を決定および場合により測定するためのセンサ機構において、混合ガス中で２つを超えるガスを互いに単離して測定するために、前記導電素子がそれぞれ異なる金属および／または金属酸化物を有するように形成されるセンサ機構。
2. 前記マトリクスは金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムを含む、請求項１に記載のセンサ機構。
3. 前記センサ構造はナノ繊維を含む、請求項１または２に記載のセンサ機構。
4. 接触部材、特に金属および／または金属酸化物の接触部材が設けられており、前記ナノ繊維が前記接触部材の間に配置される、請求項３に記載のセンサ機構。
5. 前記ナノ繊維がドーピングされる、請求項３または４に記載のセンサ機構。
6. 前記センサ構造はセンサをそれぞれ別様に感応化するためにナノ粒子を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ機構。
7. 前記マトリクスに配置された前記導電素子は少なくとも部分的に酸化錫および／または酸化亜鉛および少なくとも部分的に酸化銅から形成されており、たとえば酸化錫および／または酸化亜鉛はｎ型ドーピングされ、酸化銅はｐ型ドーピングされる、請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ機構。
8. 前記マトリクスは金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムを含み、互いにほぼ垂直に配置された金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムの間の交差点でそれぞれ異なるドーピングを含む領域の間の接合部が構成される、請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ機構。
9. 前記センサ機構はフレキシブルにコンフィグレーション可能である、請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサ機構。
10. 前記センサ機構は前記センサ機構を規定された温度にするために、または定義された温度サイクルに暴露するために加熱装置および／または冷却装置を含む、請求項１から９のいずれか１項に記載のセンサ機構。
11. それぞれ異なるガスを同時に決定するための、請求項１から１０のいずれか１項に記載のセンサ機構の利用法。
12. 複数のガスの濃度を決定および場合により測定するためのセンサ機構、特に請求項１から１０のいずれか１項に記載のセンサ機構を製造する方法において、
    基板が準備される段階と、
    マトリクスに配置された導電素子と多数の接点とを含む、それぞれ異なる金属および／または金属酸化物からなるセンサ構造が前記基板に装着される段階と、
    前記センサ構造に構成されたセンサが機能化される段階と、
    の各段階を含む方法。
13. 前記センサ構造はナノ粒子によって機能化される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記マトリクスに配置された接触部材の間で、特に金属および／または金属酸化物の接触部材の間で、ナノ繊維が前記基板の上に酸化される、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 金属フィルムおよび／または金属酸化物フィルムが前記基板に装着される、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の方法。

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